cpu基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)資料

1、cpu的工作模式 在了解cpu工作原理之前，我們先簡(jiǎn)單談?wù)刢pu是如何生產(chǎn)出來(lái)的。cpu是在特別純凈的硅材料上制造的。一個(gè)cpu芯片包含上百萬(wàn)個(gè)精巧的晶體管。人們?cè)谝粔K指甲蓋大小的硅片上，用化學(xué)的方法蝕刻或光刻出晶體管。因此，從這個(gè)意義上說(shuō)，cpu正是由晶體管組合而成的。簡(jiǎn)單而言，晶體管就是微型電子開關(guān)，它們是構(gòu)建cpu的基石，你可以把一個(gè)晶體管當(dāng)作一個(gè)電燈開關(guān)，它們有個(gè)操作位，分別代表兩種狀態(tài):on(開)和off(關(guān))。這一開一關(guān)就相當(dāng)于晶體管的連通與斷開，而這兩種狀態(tài)正好與二進(jìn)制中的基礎(chǔ)狀態(tài)“0”和“1”對(duì)應(yīng)！這樣，計(jì)算機(jī)就具備了處理信息的能力。 但你不要以為，只有簡(jiǎn)單的“0”和“1”兩種

2、狀態(tài)的晶體管的原理很簡(jiǎn)單，其實(shí)它們的發(fā)展是經(jīng)過(guò)科學(xué)家們多年的辛苦研究得來(lái)的。在晶體管之前，計(jì)算機(jī)依靠速度緩慢、低效率的真空電子管和機(jī)械開關(guān)來(lái)處理信息。后來(lái)，科研人員把兩個(gè)晶體管放置到一個(gè)硅晶體中，這樣便創(chuàng)作出第一個(gè)集成電路，再后來(lái)才有了微處理器。 看到這里，你一定想知道，晶體管是如何利用“0”和“1”這兩種電子信號(hào)來(lái)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)的呢？其實(shí)，所有電子設(shè)備都有自己的電路和開關(guān)，電子在電路中流動(dòng)或斷開，完全由開關(guān)來(lái)控制，如果你將開關(guān)設(shè)置為off，電子將停止流動(dòng)，如果你再將其設(shè)置為on，電子又會(huì)繼續(xù)流動(dòng)。晶體管的這種on與off的切換只由電子信號(hào)控制，我們可以將晶體管稱之為二進(jìn)制設(shè)備。這樣，晶體

3、管的on狀態(tài)用“1”來(lái)表示，而off狀態(tài)則用“0”來(lái)表示，就可以組成最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數(shù)。眾多晶體管產(chǎn)生的多個(gè)“1”與“0”的特殊次序和模式能代表不同的情況，將其定義為字母、數(shù)字、顏色和圖形。舉個(gè)例子，十進(jìn)位中的1在二進(jìn)位模式時(shí)也是“1”，2在二進(jìn)位模式時(shí)是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此類推，這就組成了計(jì)算機(jī)工作采用的二進(jìn)制語(yǔ)言和數(shù)據(jù)。成組的晶體管聯(lián)合起來(lái)可以存儲(chǔ)數(shù)值，也可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)字運(yùn)算。加上石英時(shí)鐘的控制，晶體管組就像一部復(fù)雜的機(jī)器那樣同步地執(zhí)行它們的功能。 cpu的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在我們已經(jīng)大概知道cpu是負(fù)責(zé)些什么事情，但是具體由哪些部

4、件負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序呢？1.算術(shù)邏輯單元alu(arithmetic logic unit) alu是運(yùn)算器的核心。它是以全加器為基礎(chǔ)，輔之以移位寄存器及相應(yīng)控制邏輯組合而成的電路，在控制信號(hào)的作用下可完成加、減、乘、除四則運(yùn)算和各種邏輯運(yùn)算。就像剛才提到的，這里就相當(dāng)于工廠中的生產(chǎn)線，負(fù)責(zé)運(yùn)算數(shù)據(jù)。2.寄存器組 rs(register set或registers) rs實(shí)質(zhì)上是cpu中暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)，cpu訪問(wèn)寄存器所用的時(shí)間要比訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減少cpu訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了cpu的工作速度。但因?yàn)槭艿叫酒娣e

5、和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途。通用寄存器的數(shù)目因微處理器而異。3.控制單元(control unit) 正如工廠的物流分配部門，控制單元是整個(gè)cpu的指揮控制中心，由指令寄存器ir(instruction register)、指令譯碼器id(instruction decoder)和操作控制器0c(operation controller)三個(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為重要。它根據(jù)用戶預(yù)先編好的程序，依次從存儲(chǔ)器中取出各條指令，放在指令寄存器ir中

6、，通過(guò)指令譯碼(分析)確定應(yīng)該進(jìn)行什么操作，然后通過(guò)操作控制器oc，按確定的時(shí)序，向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作控制信號(hào)。操作控制器oc中主要包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等控制邏輯。4.總線(bus)就像工廠中各部位之間的聯(lián)系渠道，總線實(shí)際上是一組導(dǎo)線，是各種公共信號(hào)線的集合，用于作為電腦中所有各組成部分傳輸信息共同使用的“公路”。直接和cpu相連的總線可稱為局部總線。其中包括: 數(shù)據(jù)總線db(data bus)、地址總線ab(address bus) 、控制總線cb(control bus)。其中，數(shù)據(jù)總線用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信息；地址總線用于傳送cpu發(fā)出的地址信息；控

7、制總線用來(lái)傳送控制信號(hào)、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)信息等。 cpu的工作流程 由晶體管組成的cpu是作為處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序的核心，其英文全稱是:central processing unit，即中央處理器。首先，cpu的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為控制單元，邏輯運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元(包括內(nèi)部總線及緩沖器)三大部分。cpu的工作原理就像一個(gè)工廠對(duì)產(chǎn)品的加工過(guò)程:進(jìn)入工廠的原料(程序指令)，經(jīng)過(guò)物資分配部門(控制單元)的調(diào)度分配，被送往生產(chǎn)線(邏輯運(yùn)算單元)，生產(chǎn)出成品(處理后的數(shù)據(jù))后，再存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)(存儲(chǔ)單元)中，最后等著拿到市場(chǎng)上去賣(交由應(yīng)用程序使用)。在這個(gè)過(guò)程中，我們注意到從控制單元開始，cpu就開始了正式的工作

8、，中間的過(guò)程是通過(guò)邏輯運(yùn)算單元來(lái)進(jìn)行運(yùn)算處理，交到存儲(chǔ)單元代表工作的結(jié)束。 數(shù)據(jù)與指令在cpu中的運(yùn)行 剛才已經(jīng)為大家介紹了cpu的部件及基本原理情況，現(xiàn)在，我們來(lái)看看數(shù)據(jù)是怎樣在cpu中運(yùn)行的。我們知道，數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備流經(jīng)內(nèi)存，等待cpu的處理，這些將要處理的信息是按字節(jié)存儲(chǔ)的，也就是以8位二進(jìn)制數(shù)或8比特為1個(gè)單元存儲(chǔ)，這些信息可以是數(shù)據(jù)或指令。數(shù)據(jù)可以是二進(jìn)制表示的字符、數(shù)字或顏色等等。而指令告訴cpu對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行哪些操作，比如完成加法、減法或移位運(yùn)算。 我們假設(shè)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是最簡(jiǎn)單的原始數(shù)據(jù)。首先，指令指針(instruction pointer)會(huì)通知cpu，將要執(zhí)行的指令放置在內(nèi)存

9、中的存儲(chǔ)位置。因?yàn)閮?nèi)存中的每個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)(稱為地址)，可以根據(jù)這些地址把數(shù)據(jù)取出，通過(guò)地址總線送到控制單元中，指令譯碼器從指令寄存器ir中拿來(lái)指令，翻譯成cpu可以執(zhí)行的形式，然后決定完成該指令需要哪些必要的操作，它將告訴算術(shù)邏輯單元(alu)什么時(shí)候計(jì)算，告訴指令讀取器什么時(shí)候獲取數(shù)值，告訴指令譯碼器什么時(shí)候翻譯指令等等。 假如數(shù)據(jù)被送往算術(shù)邏輯單元，數(shù)據(jù)將會(huì)執(zhí)行指令中規(guī)定的算術(shù)運(yùn)算和其他各種運(yùn)算。當(dāng)數(shù)據(jù)處理完畢后，將回到寄存器中，通過(guò)不同的指令將數(shù)據(jù)繼續(xù)運(yùn)行或者通過(guò)db總線送到數(shù)據(jù)緩存器中。 基本上，cpu就是這樣去執(zhí)行讀出數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和往內(nèi)存寫數(shù)據(jù)3項(xiàng)基本工作。但在通常情況下，一

10、條指令可以包含按明確順序執(zhí)行的許多操作，cpu的工作就是執(zhí)行這些指令，完成一條指令后，cpu的控制單元又將告訴指令讀取器從內(nèi)存中讀取下一條指令來(lái)執(zhí)行。這個(gè)過(guò)程不斷快速地重復(fù)，快速地執(zhí)行一條又一條指令，產(chǎn)生你在顯示器上所看到的結(jié)果。我們很容易想到，在處理這么多指令和數(shù)據(jù)的同時(shí)，由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)差和cpu處理時(shí)差，肯定會(huì)出現(xiàn)混亂處理的情況。為了保證每個(gè)操作準(zhǔn)時(shí)發(fā)生，cpu需要一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘控制著cpu所執(zhí)行的每一個(gè)動(dòng)作。時(shí)鐘就像一個(gè)節(jié)拍器，它不停地發(fā)出脈沖，決定cpu的步調(diào)和處理時(shí)間，這就是我們所熟悉的cpu的標(biāo)稱速度，也稱為主頻。主頻數(shù)值越高，表明cpu的工作速度越快。 如何提高cpu工作效率 既

11、然cpu的主要工作是執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)，那么工作效率將成為cpu的最主要內(nèi)容，因此，各cpu廠商也盡力使cpu處理數(shù)據(jù)的速度更快。 根據(jù)cpu的內(nèi)部運(yùn)算結(jié)構(gòu)，一些制造廠商在cpu內(nèi)增加了另一個(gè)算術(shù)邏輯單元(alu)，或者是另外再設(shè)置一個(gè)處理非常大和非常小的數(shù)據(jù)浮點(diǎn)運(yùn)算單元(floating point unit，fpu)，這樣就大大加快了數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度。 而在執(zhí)行效率方面，一些廠商通過(guò)流水線方式或以幾乎并行工作的方式執(zhí)行指令的方法來(lái)提高指令的執(zhí)行速度。剛才我們提到，指令的執(zhí)行需要許多獨(dú)立的操作，諸如取指令和譯碼等。最初cpu在執(zhí)行下一條指令之前必須全部執(zhí)行完上一條指令，而現(xiàn)在則由分布式的電路各

12、自執(zhí)行操作。也就是說(shuō)，當(dāng)這部分的電路完成了一件工作后，第二件工作立即占據(jù)了該電路，這樣就大大增加了執(zhí)行方面的效率。 另外，為了讓指令與指令之間的連接更加準(zhǔn)確，現(xiàn)在的cpu通常會(huì)采用多種預(yù)測(cè)方式來(lái)控制指令更高效率地執(zhí)行。cpu的工作原理淺析 一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。 計(jì)算機(jī)硬件是指組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置, 它們是由各種實(shí)在的器件所組成，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中最重要的組成部分是中央處理器(cpu ) 。 （一）cpu的基本概念和組成 中央處理器簡(jiǎn)稱cpu(central processing unit),它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心,主要包括運(yùn)算

13、器和控制器兩個(gè)部件。如果把計(jì)算機(jī)比作一個(gè)人，那么cpu就是心臟，其重要作用由此可見一斑。cpu的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為控制單元、邏輯單元和存儲(chǔ)單元三大部分，三個(gè)部分相互協(xié)調(diào)，便可以進(jìn)行分析，判斷、運(yùn)算并控制計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作。 計(jì)算機(jī)發(fā)生的所有動(dòng)作都是受cpu控制的。其中運(yùn)算器主要完成各種算術(shù)運(yùn)算(如加、減、乘、除)和邏輯運(yùn)算( 如邏輯加、邏輯乘和非運(yùn)算); 而控制器不具有運(yùn)算功能,它只是讀取各種指令,并對(duì)指令進(jìn)行分析,作出相應(yīng)的控制。通常,在cpu中還有若干個(gè)寄存器,它們可直接參與運(yùn)算并存放運(yùn)算的中間結(jié)果。我們常說(shuō)的cpu都是x86系列及兼容cpu ,所謂x86指令集是美國(guó)intel公司為其第一

14、塊16位cpu（i8086）專門開發(fā)的，美國(guó)ibm公司1981年推出的世界第一臺(tái)pc機(jī)中的cpu i8088（i8086簡(jiǎn)化版）使用的也是x86指令，同時(shí)電腦中為提高浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力而增加的x87芯片系列數(shù)學(xué)協(xié)處理器則另外使用x87指令，以后就將x86指令集和x87指令集統(tǒng)稱為x86指令集。雖然隨著cpu技術(shù)的不斷發(fā)展，intel陸續(xù)研制出更新型的i80386、i80486直到今天的pentium 系列，但為了保證電腦能繼續(xù)運(yùn)行以往開發(fā)的各類應(yīng)用程序以保護(hù)和繼承豐富的軟件資源，intel公司所生產(chǎn)的所有cpu仍然繼續(xù)使用x86指令集。 另外除intel 公司之外，amd和cyrix等廠家也相繼

15、生產(chǎn)出能使用x86指令集的cpu，由于這些cpu能運(yùn)行所有的為intel cpu所開發(fā)的各種軟件，所以電腦業(yè)內(nèi)人士就將這些cpu列為intel的cpu兼容產(chǎn)品。由于intel x86系列及其兼容cpu都使用x86指令集，就形成了今天龐大的x86系列及兼容cpu陣容。 （二）cpu主要技術(shù)參數(shù) cpu品質(zhì)的高低直接決定了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的檔次，而 cpu的主要技術(shù)特性可以反映出cpu的大致性能。 1、位、字節(jié)和字長(zhǎng) cpu可以同時(shí)處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)是其最重要的一個(gè)品質(zhì)標(biāo)志。人們通常所說(shuō)的16位機(jī)、32位機(jī)就是指該微機(jī)中的cpu可以同時(shí)處理16位、32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。早期有代表性的ibm pc/

16、xt、ibm pc/at與286機(jī)是16位機(jī),386機(jī)和486機(jī)是32位機(jī),586機(jī)則是64位的高檔微機(jī)。 cpu按照其處理信息的字長(zhǎng)可以分為：八位微處理器、十六位微處理器、三十二位微處理器以及六十四位微處理器等。 位：在數(shù)字電路和電腦技術(shù)中采用二進(jìn)制，代碼只有“0”和“1”，其中無(wú)論是 “0”或是“1”在cpu中都是一“位”。 字節(jié)和字長(zhǎng)：電腦技術(shù)中對(duì)cpu在單位時(shí)間內(nèi)(同一時(shí)間)能一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)叫字長(zhǎng)。所以能處理字長(zhǎng)為8位數(shù)據(jù)的cpu通常就叫8位的cpu。同理32位的cpu就能在單位時(shí)間內(nèi)處理字長(zhǎng)為32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。由于常用的英文字符用8位二進(jìn)制就可以表示，所以通常就將8位稱為

17、一個(gè)字節(jié)。字節(jié)的長(zhǎng)度是不固定的，對(duì)于不同的cpu、字長(zhǎng)的長(zhǎng)度也不一樣。8位的cpu一次只能處理一個(gè)宇節(jié)，而32位的cpu一次就能處理4個(gè)宇節(jié)，同理字長(zhǎng)為64位的cpu一次可以處理8個(gè)字節(jié)。 2、cpu外頻 cpu外頻也就是常見特性表中所列的cpu總線頻率，是由主板為cpu提供的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，而cpu的工作主頻則按倍頻系數(shù)乘以外頻而來(lái)。在pentium時(shí)代， cpu的外頻一般是6066mhz，從pentium ii 350開始，cpu外頻提高到1o0mhz。由于正常情況下cpu總線頻率和內(nèi)存總線頻率相同，所以當(dāng)cpu外頻提高后，與內(nèi)存之間的交換速度也相應(yīng)得到了提高，對(duì)提高電腦整體運(yùn)行速度影響較大

18、。 3、前端總線(fsb)頻率 前端總線也就是以前所說(shuō)的cpu總線，由于在目前的各種主板上前端總線頻率與內(nèi)存總線頻率相同，所以也是 cpu與內(nèi)存以及l(fā)2 cache（僅指socket 7主板）之間交換數(shù)據(jù)的工作時(shí)鐘。由于數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決所同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位寬度和傳輸頻率，即數(shù)據(jù)帶寬=（總線頻率(數(shù)據(jù)寬度）/8。例如intel公司的p 333使用6 6mhz的前端總線，所以它與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換帶寬為528mb/s =（6664）/8，而其p350則使用100mhz的前端總線，所以其數(shù)據(jù)交換峰值帶寬為800mb/s=（10064）/8。由此可見前端總線速率將影響電腦運(yùn)行時(shí)cpu與內(nèi)存、（l2c

19、ache）之間的數(shù)據(jù)交換速度，實(shí)際也就影響了電腦的整體運(yùn)行速度。因此目前 intel正開始將其p的前端總線頻率從100mhz向133mhz過(guò)渡。 amd公司新推出的k7雖然使用20 0mhz的前端總線頻率，但有資料表明k7 cpu內(nèi)核與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)交換時(shí)鐘仍然是100mhz，主頻也是以100 mhz為基頻倍頻的。 4、cpu主頻 cpu主頻也叫工作頻率，是cpu內(nèi)核(整數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算器)電路的實(shí)際運(yùn)行頻率。在486 dx2 cpu之前。cpu的主頻與外頻相等。從486dx2開始，基本上所有的cpu主頻都等于“外頻乘上倍頻系數(shù)”了。cpu的主要技術(shù)特征 。主頻是cpu內(nèi)核運(yùn)行時(shí)的時(shí)鐘頻率，主頻的高

20、低直接影響cpu的運(yùn)算速度。 我們知道僅pentium就可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行兩條運(yùn)算指令，假如主頻為100mhz的pentium可以在1秒鐘內(nèi)執(zhí)行2億條指令，那么主頻為200mhz的pentium每秒鐘就能執(zhí)行4億條指令，因此cpu主頻越高，電腦運(yùn)行速度就越快。 需要說(shuō)明的是cyrix的cpu對(duì)主頻這項(xiàng)指標(biāo)是采用pr性能等級(jí)參數(shù)（performance rating）來(lái)標(biāo)稱的，表示此時(shí)cpu性能相當(dāng)于intel某主頻cpu的性能。用pr參數(shù)標(biāo)稱的cpu實(shí)際運(yùn)行時(shí)鐘頻率與標(biāo)稱主頻并不一致。例如m-300的實(shí)際運(yùn)行頻率為233mhz（663.5），但pr參數(shù)主頻標(biāo)為300mhz，意思就是m-3

21、00相當(dāng)于intel的p-300。不過(guò)事實(shí)上也僅是m-300的business winston指標(biāo)（整數(shù)性能）能與p-300相當(dāng)而已。 5、l1和l2 cache的容量和速率 l1和l2 cache的容量和工作速率對(duì)提高電腦速度起關(guān)鍵作用，尤其是l2 cache對(duì)提高運(yùn)行2 d圖形處理較多的商業(yè)軟件速度有顯著作用。 設(shè)置l2 cache是486時(shí)代開始的，目的是彌補(bǔ)l1 cache（一級(jí)高速緩存）容量的不足，以最大程度地減小主內(nèi)存對(duì)cpu運(yùn)行造成的延緩。 cpu的l2 cache分芯片內(nèi)部和外部?jī)煞N。設(shè)在cpu芯片內(nèi)的l2 cache運(yùn)行速度與主頻相同，而采用p方式安裝在cpu芯片外部的l2c

22、ache運(yùn)行頻率一般為主頻的二分之一，因此其效率要比芯片內(nèi)的l2 cache要低，這就是賽揚(yáng)只有128kb片內(nèi)cache但性能卻幾乎超過(guò)同主頻p（有512kb但工作時(shí)鐘為主頻一半的片外l2cache）的重要原因。 （三）cpu主要技術(shù)術(shù)語(yǔ)淺析 1、流水線技術(shù) 流水線(pipeline)是intei首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在cpu中由56個(gè)不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條x86指令分成56步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)cpu時(shí)鐘周期完成一條指令，因此提高cpu的運(yùn)算速度。由于486cpu只有一條流水線，通過(guò)流

23、水線中取指令、譯碼、產(chǎn)生地址、執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)寫回五個(gè)電路單元分別同時(shí)執(zhí)行那些已經(jīng)分成五步的指令，因此實(shí)現(xiàn)了486cpu設(shè)計(jì)人員預(yù)期的在每個(gè)時(shí)鐘周期中完成一條指令的目的(按筆者看法，cpu實(shí)際上應(yīng)該是從第五個(gè)時(shí)鐘周期才達(dá)到每周期能完成一條指令的處理速度)。到了pentium時(shí)代、設(shè)計(jì)人員在cpu中設(shè)置了兩條具有各自獨(dú)立電路單元的流水線，因此這樣cpu在工作時(shí)就可以通過(guò)這兩條流水線來(lái)同時(shí)執(zhí)行兩條指令，因此在理論上可以實(shí)現(xiàn)在每一個(gè)時(shí)鐘周期中完成兩條指令的目的。 2、超流水線和超標(biāo)量技術(shù) 超流水線是指某些cpu內(nèi)部的流水線超過(guò)通常的56步以上，例如pentium pro的流水線就長(zhǎng)達(dá)14步。將流水線設(shè)

24、計(jì)的步(級(jí))數(shù)越多，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應(yīng)工作主頻更高的cpu。超標(biāo)量(supe rscalar)是指在cpu中有一條以上的流水線，并且每時(shí)鐘周期內(nèi)可以完成一條以上的指令，這種設(shè)計(jì)就叫超標(biāo)量技術(shù)。 3、亂序執(zhí)行技術(shù) 亂序執(zhí)行(out-of-orderexecution)是指cpu采用了允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。比方說(shuō)程序某一段有7條指令，此時(shí)cpu將根據(jù)各單元電路的空鬧狀態(tài)和各指令能否提前執(zhí)行的具體情況分析后，將能提前執(zhí)行的指令立即發(fā)送給相應(yīng)電路執(zhí)行。當(dāng)然在各單元不按規(guī)定順序執(zhí)行完指令后還必須由相應(yīng)電路再將運(yùn)算結(jié)果重新按原來(lái)程序指定的指

25、令順序排列后才能返回程序。這種將各條指令不按順序拆散后執(zhí)行的運(yùn)行方式就叫亂序執(zhí)行(也有叫錯(cuò)序執(zhí)行)技術(shù)。采用亂序執(zhí)行技術(shù)的目的是為了使cpu內(nèi)部電路滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)并相應(yīng)提高了cpu的運(yùn)行程序的速度。 4、分技預(yù)溯和推測(cè)執(zhí)行技術(shù) 分枝預(yù)測(cè)(branch prediction)和推測(cè)執(zhí)行(speculatlon execution) 是cpu動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)中的主要內(nèi)容，動(dòng)態(tài)執(zhí)行是目前cpu主要采用的先進(jìn)技術(shù)之一。采用分枝預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)執(zhí)行的主要目的是為了提高cpu的運(yùn)算速度。推測(cè)執(zhí)行是依托于分枝預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上的，在分枝預(yù)測(cè)程序是否分枝后所進(jìn)行的處理也就是推測(cè)執(zhí)行。 5、指令特殊擴(kuò)展技術(shù) 自最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)開始，指

26、令序列便能取得運(yùn)算對(duì)象，并對(duì)它們執(zhí)行計(jì)算。對(duì)大多數(shù)計(jì)算機(jī)而言，這些指令同時(shí)只能執(zhí)行一次計(jì)算。如需完成一些并行操作，就要連續(xù)執(zhí)行多次計(jì)算。此類計(jì)算機(jī)采用的是“單指令單數(shù)據(jù)”（sisd）處理器。在介紹cpu性能中還經(jīng)常提到“擴(kuò)展指令”或“特殊擴(kuò)展”一說(shuō)，這都是指該cpu是否具有對(duì)x86指令集進(jìn)行指令擴(kuò)展而言。擴(kuò)展指令中最早出現(xiàn)的是intei公司自己的“mmx”，其次是amd公司的“3dnow!”，最后是最近的pentium iii中的“sse”。 mmx和sse：mmx是英語(yǔ)“多媒體指令集”的縮寫。共有57條指令，是intel公司第一次對(duì)自1985 年就定型的x86指令集進(jìn)行的擴(kuò)展。mmx主要用于

27、增強(qiáng)cpu對(duì)多媒體信息的處理，提高cpu處理3d圖形、視頻和音頻信息能力。但由于只對(duì)整數(shù)運(yùn)算進(jìn)行了優(yōu)化而沒(méi)有加強(qiáng)浮點(diǎn)方面的運(yùn)算能力。所以在3d圖形日趨廣泛，因特網(wǎng)3d網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用日趨增多的情況下，mmx已心有余而力不足了。mmx指令可對(duì)整數(shù)執(zhí)行simd運(yùn)算，比如-40、0、1、469 或32766等等；sse指令則增加了對(duì)浮點(diǎn)數(shù)的simd運(yùn)算能力，比如-40.2337，1.4355或87734 3226.012等等。利用mmx和sse，一條指令可對(duì)2個(gè)以上的數(shù)據(jù)流執(zhí)行計(jì)算。就前面的例子來(lái)說(shuō)，再也不必每秒執(zhí)行529000條指令了，只需執(zhí)行264600條即可。因?yàn)橥瑯拥闹噶羁赏瑫r(shí)對(duì)左、右聲道發(fā)生作用。

28、顯示時(shí)，每秒也不需要70778880條指令，只需23592960條，因?yàn)榧t、綠、藍(lán)通道均可用相同的指令控制。 sse：sse是英語(yǔ)“因特網(wǎng)數(shù)據(jù)流單指令序列擴(kuò)展internet streaming simdextensions”的縮寫。它是intei公司首次應(yīng)用于 pentium iii中的。實(shí)際就是原來(lái)傳聞的mmx2以后來(lái)又叫kni(katmainewinstruction)， katmai實(shí)際上也就是現(xiàn)在的pentium iii。sse共有70條指令，不但涵括了原mmx和3dnow!指令集中的所有功能，而且特別加強(qiáng)了simd浮點(diǎn)處理能力，另外還專門針對(duì)目前因特網(wǎng)的日益發(fā)展，加強(qiáng)了cpu處理3

29、d網(wǎng)頁(yè)和其它音、象信息技術(shù)處理的能力。cpu具有特殊擴(kuò)展指令集后還必須在應(yīng)用程序的相應(yīng)支持下才能發(fā)揮作用，因此，當(dāng)目前最先進(jìn)的penthmiii 450和 pentium ii 450運(yùn)行同樣沒(méi)有擴(kuò)展指令支持的應(yīng)用程序時(shí)，它們之間的速度區(qū)別并不大。 sse除保持原有的mmx指令外，又新增了70條指令，在加快浮點(diǎn)運(yùn)算的同時(shí)，也改善了內(nèi)存的使用效率，使內(nèi)存速度顯得更快一些。對(duì)游戲性能的改善十分顯著，按intel的說(shuō)法，sse對(duì)下述幾個(gè)領(lǐng)域的影響特別明顯：3d幾何運(yùn)算及動(dòng)畫處理；圖形處理（如photoshop）；視頻編輯壓縮解壓（如mpeg和dvd）；語(yǔ)音識(shí)別；以及聲音壓縮和合成等。 3dnow!：

30、amd公司開發(fā)的多媒體擴(kuò)展指令集，共有27條指令，針對(duì)mmx指令集沒(méi)有加強(qiáng)浮點(diǎn)處理能力的弱點(diǎn)，重點(diǎn)提高了amd公司k6系列cpu對(duì)3d圖形的處理能力，但由于指令有限，該指令集主要應(yīng)用于3d游戲，而對(duì)其他商業(yè)圖形應(yīng)用處理支持不足。 （四） cpu的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品構(gòu)架 1、cpu的生產(chǎn)工藝 表明cpu性能的參數(shù)中常有“工藝技術(shù)”一項(xiàng)，其中有“0.35um”或“0.25um”等。一般來(lái)說(shuō)“工藝技術(shù)”中的數(shù)據(jù)越小表明cpu生產(chǎn)技術(shù)越先進(jìn)。目前生產(chǎn)cpu主要采用cmos技術(shù)。cmos是英語(yǔ)“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”的縮寫。采用這種技術(shù)生產(chǎn)cpu時(shí)過(guò)程中采用“光刀”加工各種電路和元器件，并采用金屬鋁沉淀在硅

31、材料上后用“光刀”刻成導(dǎo)線聯(lián)接各元器件。現(xiàn)在光刻的精度一般用微米(um)表示，精度越高表示生產(chǎn)工藝越先進(jìn)。因?yàn)榫仍礁邉t可以在同樣體積上的硅材料上生產(chǎn)出更多的元件，所加工出的聯(lián)接線也越細(xì)，這樣生產(chǎn)出的cpu工作主頻可以做得很高。正因?yàn)槿绱?，在只能使?.65 u m工藝時(shí)生產(chǎn)的第一代pentium cpu的工作主頻只有6066mhz，在隨后生產(chǎn)工藝逐漸發(fā)展到0.35um、0.25um時(shí)、所以也相應(yīng)生產(chǎn)出了工作主額高達(dá)266mhz的pentium mmx和主頻高達(dá)500mhz的pentium ii cpu。由于目前科學(xué)技術(shù)的限制，現(xiàn)在的cpu生產(chǎn)工藝只能達(dá)到025 um，因此intel、amd.

32、cyrix以及其它公司正在向0.18um和銅導(dǎo)線(用金屬銅沉淀在硅材料上代替原來(lái)的鋁)技術(shù)努力，估計(jì)只要生產(chǎn)工藝達(dá)到0.18um后生產(chǎn)出主頻為l000mhz的cpu就會(huì)是很平常的事了。 amd為了跟intel繼續(xù)爭(zhēng)奪下個(gè)世紀(jì)的微處理器發(fā)展權(quán)，已經(jīng)跟摩托羅拉(motorola)達(dá)成一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)七年的技術(shù)合作協(xié)議。motorola將把最新開發(fā)的銅導(dǎo)線工藝技術(shù)(copperinterconnect) 授權(quán)給amd。amd準(zhǔn)備在2000年之內(nèi)，制造高達(dá)1000mhz(1ghz)的k7微處理器。cpu將向速度更快、64位結(jié)構(gòu)方向前進(jìn)。cpu的制作工藝將更加精細(xì)，將會(huì)由現(xiàn)在0.25微米向0.18微米過(guò)渡，到2

33、000年中大部分cpu廠商都將采用0.18微米工藝，2001年之后，許多廠商都將轉(zhuǎn)向0.13微米的銅制造工藝，制造工藝的提高，味著體積更小，集成度更高，耗電更少。銅技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯。主要表現(xiàn)在以下方面：銅的導(dǎo)電性能優(yōu)于現(xiàn)在普遍應(yīng)用的鋁，而且銅的電阻小，發(fā)熱量小，從而可以保證處理器在更大范圍內(nèi)的可靠性；采用013微米以下及銅工藝芯片制造技術(shù)將有效的提高芯片的工作頻率；能減小現(xiàn)有管芯的體積。與傳統(tǒng)的鋁工藝技術(shù)相比，銅工藝制造芯片技術(shù)將有效地提高芯片的速度，減小芯片的面積，從發(fā)展來(lái)看銅工藝將最終取代鋁工藝。 各廠家所生產(chǎn)的每一種cpu都有名稱（商標(biāo)名）、代號(hào)（研制代號(hào)）和標(biāo)志（專用圖案）。其中in

34、tel公司的早期產(chǎn)品以i80x86命名，即以前的286、386、486等，到intel開發(fā)出第5代產(chǎn)品586時(shí)由于商標(biāo)注冊(cè)上的麻煩改為pentium并同時(shí)為其注冊(cè)中文商標(biāo)名“奔騰”，由此也就有了后來(lái)的pentium pr o（高能奔騰）、pentium （奔騰2代）、pentium （奔騰3代）以及celeron（賽揚(yáng)），目前名稱并不能反映出同類型中cpu的規(guī)格，這點(diǎn)將從intel正式推出前端總線為133mhz的p后開始改進(jìn)，以后只要看見cpu的名稱就可以了解這塊cpu的大致技術(shù)特性。 另外廠家對(duì)每一種cpu包括同名但技術(shù)規(guī)格不同的產(chǎn)品都另有一個(gè)研制代號(hào)，例如intel公司使用0.35和0.2

35、5工藝生產(chǎn)的p就各有一個(gè)代號(hào)分別為:klamath和destrutes。同時(shí)itel每一種名稱的cpu都有還一個(gè)專用商標(biāo)圖案作為標(biāo)志。amd和cyrix公司的情況與intel相近，它們的每一種cpu也都有一個(gè)名稱、代號(hào)和標(biāo)志，但都還沒(méi)有正式的中文名稱。 2、cpu的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 當(dāng)前我們使用的cpu內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)際可分為單總線和雙總線兩種結(jié)構(gòu)，由于cpu內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征決定cpu的封裝形式和安裝規(guī)范，所以在此作些簡(jiǎn)單的介紹。 在intel公司研制出pentium pro之前,各種486以上cpu,如經(jīng)典pentium內(nèi)部由主處理器、數(shù)學(xué)協(xié)處理器、控制器、各種寄存器和l1cache組成。至今為止仍然有大量的

36、cpu繼續(xù)以這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行生產(chǎn)，例如amd的k6-2、cyrix的m以及idt-c6等cpu。從p6（pen-tiumpr o的研制代號(hào)）起，intel為進(jìn)一步提高cpu與l2 cache間的數(shù)據(jù)交換速度，將原來(lái)設(shè)置在電腦主板上的高速緩存控制電路和l2cache（二級(jí)高速緩存）采用在同一塊硅材料上制作的方法集成到cpu芯片上，這樣cpu內(nèi)核與高速緩存之間的數(shù)據(jù)交換就無(wú)需經(jīng)過(guò)外部總線而直接通過(guò)cpu內(nèi)部的緩存總線進(jìn)行，由于cpu內(nèi)核與內(nèi)存和cpu與高速緩存之間的數(shù)據(jù)交換通道分離而形成首創(chuàng)的p6雙總線架構(gòu)模式（見圖1）。從pentiumpro 的實(shí)際應(yīng)用效果看這一技術(shù)措施非常成功，是cpu研

37、制技術(shù)上的一次重大改進(jìn)。由于p6雙總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，因此凡是內(nèi)部具有l(wèi)2 c ache 和高速緩存控制器的cpu都由傳統(tǒng)的單總線模式過(guò)渡到雙總線模式，例如intel公司的p 、新賽揚(yáng)和p ;amd公司的k6-和k7等。 3、cpu的構(gòu)架和封裝方式 cpu架構(gòu)是按cpu的安裝插座類型和規(guī)格確定的。目前常用的cpu按其安裝插座規(guī)范可分為socket x和slotx兩大架構(gòu)。 其中socket x架構(gòu)cpu中又分socket 7和socket 370兩種，分別使用321針的so cket 7和370針的socket370插座進(jìn)行安裝。socket 7和socket 370插座在外形上非常相似尺寸也相

38、同，但socket370插座上比socket7多了一圈針插孔。在slot x架構(gòu)cpu中可分為s lot 1、slot 2和slot a三種，分別使用對(duì)應(yīng)規(guī)格的slot槽進(jìn)行安裝。其中slot 1和slot a都是242線插槽，但在機(jī)械和電氣標(biāo)準(zhǔn)上都不相同，所以互不兼容。slot 2是尺寸較大的插槽，專門用于安裝p 和p 序列中的xeon。xeon是一種專用于工作組服務(wù)器上的cpu。 封裝是cpu生產(chǎn)過(guò)程中的最后一道工序，封裝是采用特定的材料將cpu芯片或cpu模塊固化在其中以防損壞的保護(hù)措施，一般必須在封裝后cpu才能交付用戶使用。 cpu的封裝方式取決于cpu安裝形式和器件集成設(shè)計(jì)，通常采

39、用socket插座進(jìn)行安裝的cpu只能使用pga（柵格陣列）方式封裝，而采用slot x槽安裝的cpu則全部采用sec（單邊接插盒）的形式封裝。 目前采用pga封裝的cpu主要有intel公司的賽揚(yáng)，amd的k6-2、k6-和cyrix公司的m，以前賽揚(yáng)曾采用sec封裝，現(xiàn)已逐漸全部改用pga封裝（見圖4）。采用sec封裝的cpu有intel的p、p和amd公司的k7。其中intel的slot架構(gòu)cpu實(shí)際上分別使用sepp、secc和secc2三種單邊接插盒進(jìn)行封裝。 以上cpu中雖然賽揚(yáng)和k6-內(nèi)部分別集成了128kb和256kb的l2 cache和高速緩存控制器，但由于它們是采用在同一片

40、硅材料上一次制造出cpu內(nèi)核和l2 cache、高速緩存控制器的方法制造，所以它們的體積較小并能采用pga方式進(jìn)行封裝。不過(guò)賽揚(yáng)采用pga封裝的主要原因是降低生產(chǎn)成本，而k6-采用pga封裝的主要原因則是因?yàn)閕ntel對(duì)其開發(fā)的slot 1、slot 2和socket 370插座進(jìn)行專利保護(hù)，所以a md只能沿用socket 7架構(gòu)和采用pga封裝方式生產(chǎn)k6-。 目前slot架構(gòu)的cpu有兩種制造方法，一是將分別制造的cpu內(nèi)核芯片、高速cache控制器芯片和 l2 cache芯片安裝在一塊pcb（電路板）上，然后再安裝上單邊接插盒和風(fēng)扇以完成cpu的最終制作。采用這類結(jié)構(gòu)和方法制作的cpu

41、有intel的p、p和amd的k7。二是將完整的cpu（內(nèi)含cpu內(nèi)核、高速cache控制器芯片和l2cache芯片）芯片安裝在電路板上，此時(shí)電路板純粹只起slot接口的安裝作用。最后同樣再安裝單邊接插盒和風(fēng)扇也就形成完整的cpu。采用這種結(jié)構(gòu)和方法制作的cpu只有intel公司的部分賽揚(yáng)。 slot與socket：cpu插槽簡(jiǎn)介 slot1是intel p等cpu同主板的接口方式，采用的是sec(單邊接觸插槽)接口。 slot2是近期才出現(xiàn)的專用于p服務(wù)器的一種cpu同主板的接口。 socket7是目前pentium、pentuim mmx、amd k6、cyrix 6x86以及idt的wi

42、nchip等處理器廣泛使用的接口方式。 super7是amd公司提出的一種新的cpu接口，支持100mhz的總線頻率和agp技術(shù),并與socket7完全兼容。主要用于配合amd的k6-2及最新推出的k6-3 cpu。 socket370是intel專為賽揚(yáng)配備的具有370條針狀引線(與socket 7插座不兼容)的cpu插槽。 slota是amd一種同intel p在尺寸和結(jié)構(gòu)上兼容的接口方式，與amd推出的k7處理器配合。 奔騰iv處理器架構(gòu)剖析 p4處理器硬件架構(gòu) 這次正式零售版本的p4處理器全部為防靜電袋單顆封裝，產(chǎn)地是哥斯達(dá)黎加在處理器表面有大大的淡金黃“pentium4”的蝕刻字樣，處理器表面全部字體如下： 1.4g