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第二章 中央处理单元 Center Processing Unit(CPU)

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CPU的性能指标1 、主频，也就是 CPU 的时钟频率，简单地说也就是 CPU 的工作频率。一般说来，一个时钟周期完成的指令数是固定的，所以主频越高，CPU 的速度也就越快了。不过由于各种 CPU的内部结构也不尽相同，所以并不能完全用主频来概括 CPU 的性能。至于外频就是系统总线的工作频率；而倍频则是指 CPU 外频与主频相差的倍数。用公式表示就是：主频 = 外频×倍频。

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2 、内存总线速度或者叫系统总线速度，一般等同于 CPU 的外频。内存总线的速度对整个系统性能来说很重要，由于内存速度的发展滞后于 CPU 的发展速度，为了缓解内存带来的瓶颈，所以出现了二级缓存，来协调两者之间的差异，而内存总线速度就是指 CPU 与二级 (L2)高速缓存和内存之间的工作频率。

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3、 L1 高速缓存，也就是我们经常说的一级高速缓存。在CPU 里面内置了高速缓存可以提高 CPU 的运行效率。内置的L1 高速缓存的容量和结构对 CPU 的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态 RAM 组成，结构较复杂，在 CPU 管芯面积不能太大的情况下， L1 级高速缓存的容量不可能做得太大。采用回写 (WriteBack) 结构的高速缓存。它对读和写操作均有可提供缓存。而采用写通 (Write-through) 结构的高速缓存，仅对读操作有效。在 486 以上的计算机中基本采用了回写式高速缓存。在目前流行的处理器中，奔腾Ⅲ和Celeron 处理器拥有 32KB的 L1 高速缓存，奔腾 4为 8KB ，而 AMD的Duron和 Athlon 处理器的 L1 高速缓存高达128KB 。

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4 、 L2 高速缓存，指 CPU 第二层的高速缓存，第一个采用 L2 高速缓存的是奔腾 Pro处理器，它的 L2 高速缓存和 CPU 运行在相同频率下的，但成本昂贵，市场生命很短，所以其后奔腾 II的 L2 高速缓存运行在相当于 CPU 频率一半下的。接下来的 Celeron处理器又使用了和 CPU 同速运行的 L2 高速缓存，现在流行的 CPU, 无论是 AthlonXP和奔腾 4 ，其 L2 高速缓存都是和 CPU 同速运行的。除了速度以外， L2 高速缓存容量也会影响 CPU 的性能，原则是越大越好，现在家庭用 CPU 容量最大的是 512KB ，而服务器和工作站上用 CPU的 L2 高速缓存更高达 1MB-3MB 。

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5 、流水线技术、超标量。流水线 (pipeline)是 Intel首次在 486 芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在 CPU 中由 5~6 个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86 指令分成 5~6 步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个 CPU 时钟周期完成一条指令，因此提高了 CPU 的运算速度。超流水线是指某型 CPU 内部的流水线超过通常的 5~6 步以上，例如奔腾 4 的流水线就长达 20 步。将流水线设计的步 (级 ) 数越多，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的 CPU 。超标量是指在一个时钟周期内 CPU 可以执行一条以上的指令。这在 486 或者以前的 CPU 上是很难想象的，只有奔腾级以上 CPU 才具有这种超标量结构；这是因为现代的 CPU 越来越多的采用了 RISC 技术，所以才会有超标量的 CPU 。

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6 、工作电压。工作电压指的也就是 CPU正常工作所需的电压。早期 CPU（ 386、 486）由于工艺落后，它们的工作电压一般为 5V（奔腾等是 3.5V/3.3V/2.8V 等），随着 CPU的制造工艺与主频的提高， CPU 的工作电压有逐步下降的趋势， Intel 最新出品的Tualatin核心 Celeron已经采用 1.475V 的工作电压了。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。这对于笔记本电脑尤其重要。

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7 、乱序执行和分枝预测，乱序执行是指 CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。分枝是指程序运行时需要改变的节点。分枝有无条件分枝和有条件分枝，其中无条件分枝只需要CPU按指令顺序执行，而条件分枝则必须根据处理结果再决定程序运行方向是否改变，因此需要“分枝预测”技术处理的是条件分枝。

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8 、协处理器或者叫数学协处理器。在 486 以前的CPU 里面，是没有内置协处理器的。由于协处理器主要的功能就是负责浮点运算，因此 386、 286、8088 等等微机 CPU 的浮点运算性能都相当落后，自从 486 以后， CPU 一般都内置了协处理器，协处理器的功能也不再局限于增强浮点运算。现在CPU 的浮点单元（协处理器）往往对多媒体指令进行了优化。比如 Intel的MMX 技术， MMX 是“多媒体扩展指令集”的缩写。 MMX是 Intel 公司在1996年为增强奔腾 CPU 在音像、图形和通信应用方面而采取的新技术。为 CPU新增加 57条MMX指令，把处理多媒体的能力提高了 60％左右。现在的 CPU已经普遍内置了这些多媒体指令集，例如现在奔腾 4 内置了 SSE2 指令集，而 AthlonXP 则内置增强型的 3DNow! 指令集

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计算机组成 计算机系统主要由计算机主机 / 各种 I/O 外设 / 系统软件组成 ;计算机主机则主要由处理器 / 主存 / 总线与各种接口组成 ;采用 LSI集成于一个电子芯片内的处理器叫做微处理器 ;主机可有多个微处理器 / 运行系统软件 ;并行处理计算机的 CPU 可由多个处理器组成。

微型计算机系统

微型计算机

输入输出等各种外部设备

系统软件

CPU : , ,心脏 指令系统 算术逻辑运算 :ROM,RAM,EPROM,EEPROM......存储器

I/O : , , ......接口 总线 磁盘接口 键盘接口

:360KB,720KB,1.2MB,1.44MB软盘驱动器:10MB,100MB,1GB,10GB.....硬盘驱动器

显示器、键盘、鼠标、打印机 DOS,Windows,UNIX......操作系统 ,机器语言 二进制数 计算机直接识别 汇编语言 把汇编源程序译成目标程序 BASIC, Fortran高级语言 解释 编译

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2.1 CPU 内部的组成中央处理器简称 CPU ，是计算机系统的核心。主要功能：程序的执行，信息的处理， I/O 设备的控制。组成：运算器，寄存器，控制器，时钟电路，（某些 CPU 中还包括一定容量的ROM、 RAM 存储器）

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通用寄存器组

运算寄存器

ALU

标志寄存器

执行控制电路

指令队列缓冲器

IO控制电路

4 个段寄存器

1 个IP寄存器

内部寄存器 外

围总线

中央处理器的基本结构与组成

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2.1.1 运算器运算器是加工处理数据的功能部件。运算器主要由下列部件组成：

算术逻辑单元（ ALU）完成二进制信息的定点算术运算，逻辑运算，移位操作

通用寄存器和状态标志寄存器存放数据，运算的中间、最后结果，各种状态标志

有的 CPU 中包含浮点处理单元算术逻辑单元和通用寄存器的位数决定了 CPU

的字长。

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3.1.2 寄存器组（ Register）寄存器：是 CPU 中的重要组成部分，是 CPU 内部的临时存储单元。存放内容：数据、地址、控制信息、 CPU 的工作状态信息。寄存器增加可以提高 CPU 运行速度。分类：数据寄存器、地址寄存器、标志状态寄存器、控制寄存器和一些其它作用的寄存器。但总体可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。

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一、通用寄存器组 ——在运算中存储数据与地址累加寄存器 AX（ Accumulater）低位累加器 AL（ Loworder

Accumulater）变址寄存器 XR（ Index Register）基址寄存器 BR（ Base Register）标志寄存器 FR（ Flag Register）

以 Intel 80486 为例 (32位 ) ，其通用寄存器有：EAX,EBX,ECX,EDX,EBP,ESP,ESI,EDI

(早期 16 位机器为 AX,BX,CX,DX,BP,SP,SI,DI)CS， DS， ES， SS， FS， GS

(早期 16 位机器只有前 4 个）

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状态标志寄存器（ Flag Register） ——用于存放 ALU 工作时产生的状态信息。

V D I T S Z A P C

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

进位标志位

奇偶标志位

辅助进位位

零标志

位结果符号位

单步标志位

中断允许位

方向标志位

溢出标志位

状态标志寄存器也叫标志寄存器。每一位单独使用，称为标志位。它反映了 ALU 当前的工作状态或条件转移指令的转移条件。具体常用如下：

二、专用寄存器 ——保存系统运行必需的重要数据。

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指令寄存器 IR（ Instruction Register）

——用于存放将要执行的指令。指令指针寄存器 IP ，又称指令计数器。

——用于产生和存放下条待取指令的地址。堆栈指针寄存器 SP——指示堆栈栈顶的地址。变址寄存器

——变址寻址中存放基础地址的寄存器段地址寄存器

——计算机内存大时多把内存存储空间分成段 ( 例如64KB) 来管理，使用时以段为单位进行分配。段地址寄存器即是在段式管理中用来存放段地址的寄存器。

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三、其他寄存器 ——根据 CPU 结构特点而设置的专用寄存器。

Intel 80486 设有下列专用寄存器：机器状态字寄存器 MSW描述符寄 存器——存储管理。 测试寄存器——用于存储管理。控制寄存器 –虚地址方式、实地值方式选择调试寄存器——用于程序调试。

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2.1.3 控制器一、控制器的组成控制器是指挥与控制整台计算机各功能部件协同工

作、自动执行计算机程序的部件。它把运算器和存 储器以及 I/O 设备组成一个有机的系统。控制器的作用是控制程序（即指令）的有序执行。基本功能 ：取指令、分析解释指令、执行指令（包括控制程序和数据的输入输出、以及 对异常情况和特殊请求的处理）组成：一般由指令指针寄存器 IP 、指令寄存器 IR 、指

令译码器 ID 、控制逻辑电路和时钟控制电路等组成 .

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通用寄存器组

运算寄存器

ALU

标志寄存器

执行控制电路

指令队列缓冲器

IO控制电路

4 个段寄存器

1 个IP寄存器

内部寄存器 外

围总线

中央处理器的基本结构与组成

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2.2 、控制逻辑电路的实现 ——微程序控制和硬布线逻辑

控制逻辑电路用来管理执行每条指令时所产生的一系 列基本动作。指挥各部件协同动作完成指令规定的功能。微程序控制——固化软件的微程序控制方法

优：充分利用当前系统的硬件，指令修改调试方便。缺：每条指令由多条微指令实现，多次访问控制存储

器缓慢费时。 CISC 计算机和 486以下微机多用。硬布线控制逻辑——硬件控制指令执行的方法

通过硬件逻辑电路之间的直接连线来产生计算机各部 分操作所需要的控制信号。精简指令系统计算机采用。

优：速度快 缺：不容易修改和扩展

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2.3 、时钟控制电路——为每条指令按时间顺序执行提供基准信号。

时钟控制电路由时钟脉冲发生器 (石英晶体振荡器 )和启停控制电路组成。

石英晶体振荡器产生一定频率的时钟脉冲信号，作为整个机器的时间基准源。主频称为主机振荡频率，它的高低取决于这台计算机的 CPU的适应能力。时钟周期：主频的倒数 ,表示相邻脉冲的时间间隔。指令周期：执行一条指令所需要的时间。机器周期 ：将指令周期划分成几个时间段，每个阶段称为一个机器周期。

时钟周期≤机器周期≤指令周期

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2.4.1 、流水线工作原理冯·诺依曼型计算机工作原理依序逐条执行程序指令，每条指令的各个操作也按顺序串行执行。例如：加法指令依序分成取指令 /指令译码 /取数操作 /运算处理和写结果五个步骤。执行过程如下：

特点：控制简单 ，速度低，机器各部件利用率低。例如在取指令时译码器和运算器等都空闲，而在存结果时其它部件也在空闲。

⁶ 若能把程序中的多条指令在时间上重叠起来执行会否显著提高机器速度呢？

取指 1 译码 1 取数 1 运算 1 存数 1

取指 2 译码 2 取数 2 运算 2 存数 2…....

2.4微处理器采用的新技术

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指令的重叠执行——流水线工作原理五条指令重叠执行情况： 1T 2T 3T 4T 5T —— 机器执行时间取指 1译码 1取数 1 运算 1 存数 1 取指 2译码 2 取数 2 运算 2 存数 2 取指 3 译码 3 取数 3 运算 3 存数 3 取指 4 译码 4 取数 4 运算 4 存数 4 取指 5 译码 5 取数 5 运算 5 存数 5

由上可见，若将一条指令的执行时间分为五段 , 每段所用时间为 T，则一条指令执行时间为 5T。系统工作正常后每隔 T 时间就得到一条指令的处理结果。平均速度提高了 4倍。这种工作方式称为流水线处理。本例为五级流水线处理方式。

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流水线的一些问题解决 流水线把取指与执行分开，使取指与执行同时进行，减少了取指等待时间，大大提高了 CPU 的利用率。同时降低了对与之匹配的存储器的存取速度要求。但流水线处理方式也存在一些困难：

数据相关：如果第二条指令的操作数是前一条指令保存的结果，那么就出现数据相关。两级流水线不存在数据相关现象。

条件转移分支指令的处理：猜测法 流水线机器对中断或故障的处理响应：

不精确断点法 ：处理完流水线中的指令再响应 精确断点法 ：立即响应，精确返回

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2.4.2 cache 技术 为了提高存取速度，可以在 CPU 和主存之间设置一种“高速缓冲存储器”（ cache）使存取周期与时钟周期匹配。80386 以上档次的微机中都配有高速缓存。 Pentium 等系列的 CPU 内部都配有32~64K 的内部 cache ，（称为一级 cache ），而放在 CPU 外部的计算机主板上的cache（二级 cache）可达 256~512K

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2.4.3 NSP 技术 随着多媒体应用的发展，计算机不但要处理简单的文字和静止的图像，还要实时处理动态图像，需要频繁地进行把模拟信号转 换为数字信号的“A/D转换”和把数字信号 转换为模拟信号的“D/A转换”。从这类转换得到的声音和图像的数字信息量都很大。为了减 轻对它们进行传输、存储和加工的负担，必须对这些信号进 行“压缩”和“解压缩”等处理。这需 要用到DSP 技术，其全名叫“数字信号处理” (Digital signal Processing) 技术。

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在早期的 PC 机中， DSP 常常通过配有专用的 NSP 芯片的附加设备来解决。 Pentium 处理器大大提高了微处理器的处理速度 , 可以把处理图像和声音的功能都集成到 CPU芯片中，通常把这种将音频和视频信息集成到 CPU 内部统一进行处理 的方式称为“本地信号处理” (Native Signal Processing) 或“主体信号处理”，简称 NSPNSP。 NSP从 Pentium/75已开始采用，到 1997年 Intel推出Pentium MMX 芯片后更迅速流行。目前 NSP 技术已经被计算机工业所接受，成为一种新的接受标准。这一技术将对今后的计算机应用和技术发展产生重大影响。

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2.4.4 RISC2.4.4 RISC 技术技术 RISC是 80年代发展起来的一种微处理器体系结

构，全称为“精简指令集计算” (Reduced Instruction Set Computing) 体系结构。随着微处理器位数的增加和集成度的提高， CISC体系结构指令系统不断扩 大，译码和控制电路也日趋复 杂。指令系统的膨胀不但增加了微处理器的设计难度，从而提高了它们的成本，也增大了执行指令时所需要的时钟周期数，反过来降低了计算机的处理速度。

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RISC 的支持者主张精简指令系统，只选取使用频率 (80%-90%) 高的少数指令，并使所有的简单指令能在一个时钟周期内执行完。他们把这种新的微处理器体系结构称为“精简指令集计算”体系结构 ( 简称 RISC) ，以区别于传统的“复杂指令集计算” ( 简称 CISC)体系结构。但目前， RISC 设计人员追求的目标已从原来减少指令的数量，变成通过改变芯片的体系结构、降低执行每条指令所需要的时钟周期数。 RISC 设计的新趋势主要有以下的特点 (PowerPC Manual – section 3): (1) 设置更多的通用寄存器，以便尽可能减少 CPU 对内存的访问； (2) 采用“调入 /存储” (LSU) 的体系结构； (3) 统一指令长度，让所有指令等长 ( 通常为 32位 ) ； (4) 内置高性能的浮点运算部件 FPU ，加快浮点处理速度。

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上述作法近几年也为许多 CISC 芯片制造商所采用。他们在自己的 CISC 产品中融进了 RSC处理器的特征，从而模糊了 CISC和 RISC 的界限。“使每条指令只占用一个时钟周期或者更少”已成为 RISC和 CISC制造商的共同目标。 综上可见，为让微处理器获得更快的处理能力，我们不仅要提高时钟频率，还需设法降低执行指令所花费的时钟周期数，并且在缩短存取周期、实现并行处理等方面下功夫。以上介绍的这些技术，正是反映了围绕上述目标所作出的努力。

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3.2 Intel 80X86 微处理器3.2.1 8086 微处理器

Intel 公司 1978 年研制成功时钟频率： 4.7MHz~10MHz2.9 万个晶体管、 91 种指令由 EU 执行单元和 BIU 总线接口单元组成20 位地址总线 , 寻址能力 220=1048576=1(MB)16 位数据总线4 个 16 位通用寄存器： AX,BX,CX,DX,5 个 16 位地址指针寄存器： IP,BP,SP,SI,DI4 个 16 位段界寄存器： CS,DS,SS,ES

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二、 80286 微处理器

Intel 公司 1982 年推出13.4 万个晶体管，时钟频率 6MHz~20MHz向下兼容 8086 ，具有 8086 的基本结构，但增强了存储管理和保护虚地址结构，可支持多用户系统具有 8086 的全部指令，并新增加 25 种指令16 位数据线， 24 根地址线，寻址能力达到 16MB有实地址和 16MB 保护虚地址两种工作模式，通过指 令实现转换。实地址模式下完全兼容 8086 CPU并能 运行 8086 软件，兼容目标代码；保护虚地址模式下 , 可管理内存达 16MB ，并且对使用者来说存储器的分 配方式与寻址方式没有改变。

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三、 80386 微处理器

四、 80486 微处理器

Intel 公司 1985 年推出 32 位寄存器， 32 位数据总线， 32 位地址总线， 27.5 万晶体管 , 主频 16MHz ― 66MHZ ，向下兼容 8086 和 80286CPU

Intel 公司 1989 年推出 32 位寄存器， 32 位数据总线， 32 位地址总线 120 万晶体管 , 主频 25MHz ― 100MHZ 内含 8KB 高速缓冲存储器和 80387 协处理器 486DX 具有倍速功能，内部比外部快几倍，向下兼容 8086 、 80286 和 80386CPU

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五、 Pentium 微处理器

Pentium 体系结构特点内含 RISC 型超标量 U、 V 两条流水线整数处理单元拥有超级流水浮点处理单元（ FPU）内部 Cache(L1) 增加到 8K+8K(80486 仅有 8K)外部数据总线宽度增加到 64 位 , 地址总线 32 条。增加智能动态分支预测电路，支持乱序执行功能，具有分支预测算法。增加了 MMX 多媒体技术，解决视频、音频、图像和多媒体应用中的处理速度。

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六、 Pentium II 的基本特性 PentiumⅡ在增加 MMX 指令的基础上L1 Cache 增加了一倍 ( 各为16KB)。 CPU与 L2 Cache 之间的通讯速率为时钟频率的一半。PⅡ具有从 CPU到 L2 和主存双重独立总线体系结构、动态执行技术和 MMX 技术三大特征，主频达 233/266/300MHz 或更高。PⅡ的 L2在 CPU 外，与 CPU 一起安装在小电路板上，采用单边连接 SEC（ Single Edge Contact ）盒式封装技术，用塑料及金属外壳保护，整个成为 Pentium Ⅱ。

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七 . Pentiu III 处理器1999 年 2 月面世， CPU 主频从 400M 到 1.13GHz 不

等。其集成度最高为 2800 万个管子 / 片。内含有：32K 一级 Cache,512K 速度为主频一半的二级Cache内置序列号作为微处理器的系统标识符在保留MMX 指令的基础上增加许多新的多媒体指令 .采用数据流单指令多数据扩展技术 (SSE:Streaming SIMD Extension)配合新指令增加了 8 个 128 位的单精度寄存器 .

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.捌 Pentium 4 处理器.捌于 2000年 6月面世，主频为 1.4GHz 和 1.5GHz,集成度高达 4200万个管子 / 片.玖 20 级的超级流水线

.壹拾高效的乱序执行功能.壹拾壹 2 倍数的 ALU 整数运算单元以双倍主频的速度工作

.壹拾贰新型片上跟踪缓存 能存储 x86 指令解码后的微操作指令

.壹拾叁 SSE2 指令扩展 能处理 128位、 SIMD（单指令流多数据流）的整数和浮点双精度数

.壹拾肆 400MHz 前端总线 FSB 使用 100MHz 外频 X4 倍频方式实现CPU 和内存的配合。

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九 AMD 系列微处理器简介

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十 其它公司微处理器简介

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一方是我们在 64位领域绝对支持的频率为 2.4GHz 的 AMD Opteron 处理器；另一方是在刚刚这个领域初露头脚得新手：由Intel推出的携带最新 PCI-E和 DDR2 技术的 “ Nocona” 3.4GHz Xeon 处理器，我们被告知 ,Intel决心像以往那样同样也要在 64位市场上夺取做大的市场份额。

AMD与 Intel 对决

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2004 年可以说是AMD 重大变革的一年，基于Barton核心的 Athlon XP 成为市场上最为畅销的AMD 处理器， Athlon XP 2500+ 成为了用户心目中最具有性价比的处理器，为 AMD 的中低端市场打下了扎实的基础。古话说“逆水行舟，不进则退”， AMD也深知要与 Intel的P4抗衡， Socket 462架构越来越难了。因此AMD 公司改变了销售策略，让Socket 462架构的产品去对付 Intel 的赛杨系列。而主流和高端产品也就由Socket 754和Socket 939所代替。他把32 位桌面处理器推向了 64 位，可以说是跨时代的一步。从此，桌面 PC领域也就进入了64 位的时代。在这方面 AMD走在了 Intel 的前列。

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2005年 2月14日发布会现场，英特尔高层和技术人员在介绍五款64位奔腾 4 处理器（一款3.73GHz 奔腾 4 至尊版，四款3.0GHz-3.6GHz 奔腾 4 6XX 处理器）时，主要谈及了它们的四大技术亮点：拥有更大容量的 2MB 二级缓存；支持64位内存寻址的 64位扩展技术（EM64T）；拥有阻止病毒利用缓冲区溢出作恶的Excute Disable Bit硬件防病毒技术；源自笔记本电脑处理器、可视处理器工作负担来调节其时钟频率实现节能的增强型 Speedstep 技术（EIST，64位奔腾 4 至尊版不具备）。 不 过，这五大技术亮点在与 AMD Athlon 64/FX 处理器的竞争中却没体现出任何“必杀”效果。 Athlon 64/FX的64位扩展技术 AMD64 和硬件防毒技术Ehanced Virus Protection 与英特尔同类技术原理相似，但应用时间更早。 Athlon 64/FX虽还未集成 AMD PowerNow!节能技术，但节能是总想法儿省钱的商业用户更为关注的，并非家用 PC消费者最看重的要素，而且Athlon 64/FX要集成这项技术也不是什么难题。

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得人心者得天下能比较的结果告诉我们，从技术角度来说， AMD已非昔日吴下阿蒙， 64位 PC 处理器性能之战中，它与英特尔势均力敌。 从价格角度来说，目前国内 Athlon 64零售价位空间在 1000 元至 2500 元，只有一款顶级产品Athlon 64 FX-53零售价接近 7000 元。而英特尔方面，时钟频度最高的 3.73GHz奔腾 4 至尊版的千片批发单价高达 999美元，时钟频度最低的奔腾 4 630（ 3.0GHz ）千片批发单价也有 224美元， AMD产品的性价比优势不言而喻。