處理器體系結(jié)構(gòu)――了解CPU的基本原理

Central Processing Unit(CPU)：中央處理器，PC的大腦，是計(jì)算機(jī)中處理數(shù)據(jù)的地方，同時(shí)也是性能和價(jià)格的決定因素。

在過(guò)去的一年中，CPU的速度已從600 MHz飆升至1 GHz。到今年年底，CPU的速度有望突破1.5 GHz大關(guān)。CPU的速度競(jìng)賽仍在繼續(xù)，但是有一點(diǎn)要注意：你的CPU的性能絕不僅僅是由MHz或者GHz前面的數(shù)字來(lái)決定的DD那只是商家用來(lái)吹噓的賣點(diǎn)。隨著芯片運(yùn)算速度的加快以及在應(yīng)用中對(duì)性能需求的增加，你比以往任何時(shí)候更需要了解在你的CPU中到底發(fā)生著什么事情。

以下是你所應(yīng)該知道的：

?CPU的三項(xiàng)基本功能：讀數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)以及把數(shù)據(jù)寫(xiě)到存儲(chǔ)器中。

?CPU的原始頻率是由兆赫茲的數(shù)量決定的，但是其它的因素，例如設(shè)計(jì)方法，也同樣的影響著芯片的性能。

?你為你的PC選擇什么樣的CPU取決于你將愿意花多少錢，以及你打算用PC來(lái)干什么。

一、物理結(jié)構(gòu)

在你了解你的CPU如何工作以前，你應(yīng)該知道它是由什么制成的。CPU是由數(shù)百萬(wàn)在顯微鏡下才能看得見(jiàn)的晶體管，經(jīng)過(guò)化學(xué)的和照相平板印刷的過(guò)程，蝕刻到一塊磨光了的只有你拇指甲蓋大小的硅片上而形成的。

那些微小的晶體管用來(lái)存儲(chǔ)表示0、1的電荷，而0、1則構(gòu)成了計(jì)算機(jī)所能使用的二進(jìn)制語(yǔ)言。成組的晶體管連在一起存儲(chǔ)數(shù)據(jù);它們還對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯的和數(shù)學(xué)的計(jì)算，并且借助于一個(gè)石英的晶體鐘，像同步的游泳者一樣協(xié)調(diào)一致地發(fā)揮作用。簡(jiǎn)言之，它們能夠處理數(shù)據(jù)。

二、CPU的組成

CPU處理存儲(chǔ)在內(nèi)存單元上的信息。那些信息可以是數(shù)據(jù)，也可以是指令。數(shù)據(jù)是一個(gè)二進(jìn)制表達(dá)式，例如表示字母、數(shù)字和顏色。而指令則告訴CPU如何處理這些數(shù)據(jù)，例如對(duì)它們進(jìn)行加、減或者移動(dòng)等操作。

CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三種基本操作：讀取數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、然后通常還要把把數(shù)據(jù)寫(xiě)回到存儲(chǔ)器上。對(duì)于最簡(jiǎn)單的構(gòu)成，CPU只需要四個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)它對(duì)數(shù)據(jù)的操作：指令、指令指示器、一些寄存器以及算術(shù)邏輯單元。

指令指示器告訴CPU它所需要的指令放在內(nèi)存中的哪個(gè)位置。

寄存器是CPU內(nèi)部的臨時(shí)存儲(chǔ)單元。它保存等待被處理的數(shù)據(jù)，或者是已經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)(比如說(shuō)，把兩個(gè)數(shù)相加后的結(jié)果)。

算術(shù)邏輯單元，或簡(jiǎn)稱為ALU,是CPU的運(yùn)算器，執(zhí)行指令所指示的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算。

CPU還包括一些協(xié)助基本單元完成工作的附加單元：

取指器負(fù)責(zé)從RAM或者CPU上的存儲(chǔ)區(qū)取出指令。

解碼器從取指器中取出指令，把它翻譯成CPU所能理解的語(yǔ)言。同時(shí)它也決定了完成該指令需要哪些步驟。

控制器的工作是管理和控制CPU的所有操作。它告訴ALU什么時(shí)候開(kāi)始計(jì)算，取指器什么時(shí)候取一個(gè)0-1值，以及解碼器什么時(shí)候把該值翻譯成一條指令。

三、跟蹤指令的處理過(guò)程

以下是CPU的工作過(guò)程：指令指示器指向內(nèi)存中存放指令的地方。取指器在那里取出指令，并把它交給解碼器。解碼器解釋指令，并決定為完成該指令需要哪些步驟。(一條指令可以由許多按規(guī)定順序完成的步驟組成。)

然后，ALU執(zhí)行指令所要求的操作：它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減運(yùn)算，或者其它的一些處理。在CPU解釋并執(zhí)行完一條指令后，控制器會(huì)告訴取指器在內(nèi)存中取出下一條指令。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)著DD一條指令接一條指令，以令人眼花的速度運(yùn)行DD直到最后，產(chǎn)生你在屏幕上所見(jiàn)的結(jié)果。一個(gè)程序，例如文字處理，就是由一系列的指令和數(shù)據(jù)構(gòu)成的。

為了使一切都按時(shí)發(fā)生，各組成部分還需要一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器。時(shí)鐘發(fā)生器是用來(lái)調(diào)節(jié)CPU的每一個(gè)動(dòng)作的。像節(jié)拍器一樣，它發(fā)出調(diào)整CPU步伐的脈沖。這些脈沖是以每秒數(shù)百萬(wàn)次，或者兆赫茲來(lái)計(jì)算的，后者，你也許還記得，是CPU原始頻率的計(jì)量單位。時(shí)鐘發(fā)生器每秒鐘發(fā)出的脈沖越多，CPU的運(yùn)行速度就越快。在相同的條件下，700 MHz的CPU比600 MHz的CPU運(yùn)行得快，但是，對(duì)于幾個(gè)CPU的并行以及其它的形式來(lái)說(shuō)，這些數(shù)字的意義并不那么重大。

四、CPU的增強(qiáng)功能

CPU只需要幾個(gè)基本的部分就可以完成其工作，但是一直以來(lái)，為了提高其整體性能，生產(chǎn)廠家不斷地修改了它的基本設(shè)計(jì)。最終的目的是一致的：為了使它更快地處理數(shù)據(jù)。

在尋找提高處理速度的方法時(shí)，芯片制造商們發(fā)現(xiàn)CPU在向RAM讀取數(shù)據(jù)或指令時(shí)，其本身沒(méi)有在進(jìn)行什么工作。為了減少CPU的空閑期，他們?cè)贑PU的內(nèi)部放置了一塊稱為cache的存儲(chǔ)區(qū)。數(shù)據(jù)和指令可以暫存在CPU中，這樣就減少了訪問(wèn)RAM的次數(shù)。

出于擴(kuò)展cache的想法，系統(tǒng)制造商們把高速的(價(jià)格昂貴的)RAMDD也被稱為第二級(jí)cache，或者L2 cacheDD放在CPU的第一級(jí)cache和RAM系統(tǒng)之間。越靠近CPU，就意味著訪問(wèn)RAM的次數(shù)越少。

第二級(jí)cache對(duì)于提高CPU的性能是如此有益，以致于不久許多處理器就把它集成到CPU的內(nèi)部，為存放數(shù)據(jù)和指令提供了更多的空間。

五、更多的ALUs以及新增的FPU

為了提高運(yùn)算性能，芯片制造商在CPU內(nèi)部增設(shè)了另外一個(gè)算術(shù)邏輯單元。理論上，可以一次完成以前兩倍的工作。使用多個(gè)ALU，就像廚房里有兩個(gè)人，而不是一個(gè)人在張羅，這意味著工作可以完成得更快。

除了使用多個(gè)ALU，Intel還在CPU內(nèi)部集成了浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)。FPU能夠處理非常大的數(shù)和非常小的數(shù)(具有許多十進(jìn)制位)。在FPU處理這些運(yùn)算時(shí)候，ALU可以空閑出來(lái)，做一些其它的事情，因而進(jìn)一步增強(qiáng)了CPU的性能。

AMD和Intel都曾經(jīng)通過(guò)對(duì)指令進(jìn)行流水線操作，或者并行操作來(lái)加速指令的執(zhí)行過(guò)程。一條指令的執(zhí)行需要許多獨(dú)立的步驟DD例如取指和解碼。本來(lái)CPU只能執(zhí)行完一條指令以后才能開(kāi)始下一條指令的執(zhí)行。但是現(xiàn)在，離散的電路可以執(zhí)行各個(gè)獨(dú)立的步驟。

一旦一條指令從第一步執(zhí)行到第二步，那么運(yùn)行其第一步的晶體管就可以空出來(lái)，執(zhí)行下一條指令，因而加快了執(zhí)行速度。這就像爬梯子一樣：一旦你的腳離開(kāi)了一層臺(tái)階，你后面的人就可以跟上來(lái)。

為了提高CPU的性能，還增加了分支預(yù)測(cè)，即猜測(cè)程序可能會(huì)跳到哪一步;推測(cè)執(zhí)行，即提前執(zhí)行程序可能執(zhí)行的步驟;還有隨機(jī)運(yùn)行，即不按程序的原有順序來(lái)執(zhí)行程序的指令。

所有這些改進(jìn)都大大提高了CPU的運(yùn)算速度，例如今年的二月份，已經(jīng)達(dá)到了1 GHz的水平，但是性能的標(biāo)準(zhǔn)也變得不再可靠起來(lái)。計(jì)算機(jī)世界的測(cè)試表明最近幾次速度的提升已經(jīng)帶來(lái)了負(fù)效益，特別是在使用那些非常依賴于硬盤的速度以及RAM的容量和速度的辦公室應(yīng)用軟件的時(shí)候。

六、PC機(jī)里的CPU

有兩大巨頭主導(dǎo)著PC機(jī)的CPU市場(chǎng)：Intel和AMD，其中Intel在商用電腦和家用電腦的市場(chǎng)上占據(jù)了80%的份額。這兩家公司都有適應(yīng)于高檔機(jī)、中檔機(jī)和低檔機(jī)的各種類型的CPU。也有其它公司生產(chǎn)的CPU，例如Motorola的PowerPC 750，該款CPU是為Apple的Macintosh而設(shè)計(jì)的。

無(wú)論是AMD的 Athlon ，還是 Intel的 Pentium III，在運(yùn)行Microsoft的窗口操作系統(tǒng)時(shí)，其性能都是首屈一指的。這兩款CPU在設(shè)計(jì)和性能上大致相當(dāng)，兩者都包含有能加速3D游戲和計(jì)算機(jī)輔助軟件運(yùn)行的增強(qiáng)功能。

AMD和Intel的高檔CPU可供大量的PC機(jī)使用，其使用范圍從中等價(jià)格的家用機(jī)(600-850 MHz)一直到最昂貴的工程系統(tǒng)和高檔的多媒體系統(tǒng)(大約866 MHz以上)。而最新款的CPU的價(jià)格可以在整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格的$200 到 $1000 之間。

在高檔機(jī)中，具有1-GHz的CPU頻率的PC機(jī)，價(jià)格在$2700 到$3300 之間,同時(shí)還取決于它的其它配件。而在中檔機(jī)中，擁有Intel或者AMD的600-850 MHz CPU的PC機(jī)，其價(jià)格從900美元高達(dá)1600多美元.

某些經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的CPU(價(jià)格在$150以下的)與Athlons和PIIIs相比，其時(shí)鐘速度要慢一些，cache的容量也更小，或速度更慢，并且增強(qiáng)功能也較少。例如AMD的K6-III、K6-2 以及Intel的Celeron，可作為價(jià)格低于$1000的PC機(jī)的配置.

便攜式電腦上通常不能運(yùn)行最快的CPU。因?yàn)樽烂嫘偷脑O(shè)計(jì)比膝上型的更易于散熱，這就意味著后者只能使用速度較慢且功能還不是那么強(qiáng)大的CPU。而且處理器的速度越快，消耗的電能就越多，也就很容易耗光電池的能量。所以目前，所使用的最快的便攜式電腦的頻率大約為700 MHz。

七、前景展望

CPU的制造商們總是不斷地尋求改進(jìn)的方法來(lái)提高CPU的性能。最近，他們的制作工藝已經(jīng)從0.25微米達(dá)到了0.18微米的新水平，這使得晶體管之間的間隔更小，并且與同樣設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相比，其運(yùn)行速度更快，發(fā)熱量更小。另外，用于晶體管間互連的鋁線也已經(jīng)被銅線所代替，而后者具有更佳的導(dǎo)電性能。

但是這些改進(jìn)并不意味著會(huì)停止對(duì)更高的CPU時(shí)鐘頻率的追逐。Intel已經(jīng)推出新一代的Pentium4處理器，其頻率高達(dá)1.5 GHz，并將在今年年底上市。AMD也承諾將緊追不舍。