計算機組成原理——cpu論文

1、0計算機組成原理計算機組成原理——CPUCPU論文論文摘要CPU是計算機進行運算的核心其重要性相當于人體的大腦，起著至關重要的作用。CPU的主要性能指標有字長、頻率、高速緩存、前端總線頻率、超線程技術的應用、支持的擴展指令集等等，對整個計算機的性能起著至關重要的作用。要從了解CPU的發(fā)展歷程，運行原理以及故障排除等多方面了解CPU，從而達到對CPU的全面認識。關健詞關健詞CPU歷史工作原理故障排除ThepricipleoftheComp

2、uterCompomentCPUWuMinAbstractCPUistheceofcomputeroperationsitsimptanceisequivalenttothehumanbrainplaysavitalrolein.ThemainpropertiesofCPUindexwdlengthfrequencycacheFSBhyperthreadingtechnologysuppttheinstructionsetextensi

3、onsonthewholecomputerplaysanimptantroleintheperfmance.TounderstthedevelopmenthistyofCPUoperationprincipletroubleshootingtoknowmeaboutCPUtoachieveacomprehensiveunderstingofCPU.KeywdsCPU，HistyWkingpricipleTroubleshooting引言

4、引言CPU是CentralProcessingUnit（中央微處理器）的縮寫，又稱為微處理器。隨著網絡時代的到來，網絡通信、信息安全和信息家電產品將越來越普及，而CPU正是所有這些信息產品中必不可少的部件，CPU主要由運算器和控制器組成，是微型計算機硬件系統(tǒng)中的核心部件，起著控制整個微型計算機系統(tǒng)的作用。CPU性能的高低通常決定了一臺計算機的檔次。世界上生產CPU芯片主要有Intel和AMD兩家公司。Intel公司生產的CPU始終占有相

5、當大的市場。目前，Intel公司生產的CPU主要有賽揚系列、奔騰系列、酷睿系列等。AMD公司的CPU占有相當的市場份額。AMD公司生產的CPU主要有閃龍系列、速龍系列等。1CPUCPU的簡介和歷史發(fā)展的簡介和歷史發(fā)展CPU的外部組成：控制單元，存儲單元（寄存器，緩存），邏輯運算單元。CPU的外部組成：芯片，金屬殼（保護CPU，增加散熱面積），引腳（固定CPU，連通電路）。CPU是計算機的核心部件，處理計算機中的所有數據，使計算機完成各種

6、功能，并使各部件協(xié)調工作，決定了計算機的整體性能。CPU主要由運算器、控制器、寄存器組和內部總線等構成。寄存器組用于在指令執(zhí)行過后存放操作數和中間數據，由運算器完成指令所規(guī)定的運算及操作。CPU的發(fā)展非常迅速，個人電腦從8088(XT)發(fā)展到現在的Pentium4時代，只經過了不到二十年的時間。1971Intel4004，世界上第一款微處理器1974Intel8008，第一個8位的微處理器；1974Intel8080，第一個真正的微處理

7、器；1978Intel8086，16位微處理器；Intel80186；1982Intel80286；1985Intel80386，新一代32位核心微處理器；1989Intel80486；1993Pentium（奔騰）；從生產技術來說，最初的8088集成了29000個晶體管，而PentiumⅢ的集成度超過了2810萬個晶體管；CPU的運行速度，以MIPS(百萬個指令每秒)為單位，8088是0.75MIPS，到高能奔騰時已超過了1000MI

8、PS。2解碼指令。在提取和解碼階段之后，接著進入執(zhí)行階段。該階段中，連接到各種能夠進行所需運算的CPU部件。例如要求一個加法運算，算術邏輯單元將會連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要相加的數值，而且在輸出將含有總和結果。ALU內含電路系統(tǒng)，以于輸出端完成簡單的普通運算和邏輯運算(比如加法和位運算)。如果加法運算產生一個對該CPU處理而言過大的結果，在標志暫存器里，溢出標志可能會被設置。最終階段，寫回。以一定格式將執(zhí)行階段的結果簡單的寫

9、回。運算結果極常被寫進CPU內部的暫存器，以供隨后指令快速訪問。在其它案例中，運算結果可能寫進速度較慢，但容量較大且較便宜的主存。某些類型的指令會操作程序計數器，而不直接產生結果數據。這些一般稱作“跳轉”并在程序中帶來循環(huán)行為、條件性執(zhí)行（透過條件跳轉）和函數[jumps]。許多指令也會改變標志暫存器的狀態(tài)位。這些標志可用來影響程序行為緣由于它們時常顯出各種運算結果。例如，以一個“比較”指令判斷兩個值的大小，根據比較結果在標志暫存器上設

10、置一個數值。這個標志可借由隨后的跳轉指令來決定程序動向。在執(zhí)行指令并寫回結果數據之后，程序計數器的值會遞增，反復整個過程，下一個指令周期正常的提取下一個順序指令。如果完成的是跳轉指令，程序計數器將會修改成跳轉到的指令地址，且程序繼續(xù)正常執(zhí)行。許多復雜的CPU可以一次提取多個指令、解碼，并且同時執(zhí)行。這個部分一般涉及“經典RISC管線”，那些實際上是在眾多使用簡單CPU的電子裝置中快速普及（常稱為單片機）。CPU數字表示方法是一個設計上的

11、選擇這個選擇影響了設備的工作方式。一些早期的數字計算機內部使用電氣模型來表示通用的十進制(基于10進位)數位系統(tǒng)數字。還有一些罕見的計算機使用三進制表示數字。幾乎所有的現代的CPU使用二進制系統(tǒng)來表示數字，這樣數字可以用具有兩個值的物理量來表示，例如高低電平[binaryvoltage]等等。與數表示相關的是一個CPU可以表示的數的大小和精度，在二進制CPU情形下，一個位（bit）指的是CPU處理的數中的一個有意義的位，CPU用來表示數

12、的位數量常常被稱作“字長”“位寬”“數據通路寬度”或者當嚴格地涉及到整數（與此相對的是浮點數）時稱作“整數精度”、該數量因體系結構而異，且常常在完全相同的CPU的不同部件中也有所不同。實際上，整數精度在CPU可執(zhí)行的軟件所能利用的整數取值范圍上設置了硬件限制。整數精度也可影響到CPU可尋址（尋址）的內存數量。譬如，如果二進制的CPU使用32位來表示內存地址，而每一個內存地址代表一個八位組，CPU可定位的容量便是232個位組或4GB。以上

13、是簡單描述的CPU地址空間，通常實際的CPU設計使用更為復雜的尋址方法，例如為了以同樣的整數精度尋址更多的內存而使用分頁技術。更高的整數精度需要更多線路以支持更多的數字位，也因此結構更復雜、更巨大、更花費能源，也通常更昂貴。因此盡管市面上有許多更高精準度的CPU如16、32、64甚至128位，但依然可見應用軟件執(zhí)行在4或8位的單片機上。越簡單的單片機通常較便宜，花費較少能源，也因此產生較少熱量。這些都是設計電子設備的主要考量。2.22.

14、2CPUCPU的運行過程的運行過程數據從輸入設備流經內存，等待CPU的處理，這些將要處理的信息是按字節(jié)存儲的，也就是以8位二進制數或8比特為1個單元存儲，這些信息可以是數據或指令。數據可以是二進制表示的字符、數字或顏色等等。而指令告訴CPU對數據執(zhí)行哪些操作，比如完成加法、減法或移位運算。假設在內存中的數據是最簡單的原始數據。首先，指令指針(InstructionPointer)會通知CPU，將要執(zhí)行的指令放置在內存中的存儲位置。因為內

15、存中的每個存儲單元都有編號(稱為地址)，可以根據這些地址把數據取出，通過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，它將告訴算術邏輯單元(ALU)什么時候計算，告訴指令讀取器什么時候獲取數值，告訴指令譯碼器什么時候翻譯指令等等。假如數據被送往算術邏輯單元，數據將會執(zhí)行指令中規(guī)定的算術運算和其他各種運算。當數據處理完畢后，將回到寄存器中，通過不同的指令將數