深入了解CPU的工作原理

深入了解CPU的工作原理

http://www.enorth.com.cn　 2001-01-19 00:00

Central Processing Unit（CPU）：*处理器，PC的大脑，是计算机中处理数据的地方，同时也是性能和价格的决定因素。 　　 　　在过去的一年中，CPU的速度已从600 MHz飙升至1 GHz。到今年年底，CPU的速度有望突破1.5 GHz大关。CPU的速度竞赛仍在继续，但是有一点要注意：你的CPU的性能绝不仅仅是由MHz或者GHz前面的数字来决定的――那只是商家用来吹嘘的卖点。随着芯片运算速度的加快以及在应用中对性能需求的增加，你比以往任何时候更需要了解在你的CPU中到底发生着什么事情。 　　 　　以下是你所应该知道的： 　　?CPU的三项基本功能：读数据、处理数据以及把数据写到存储器中。 　　?CPU的原始频率是由兆赫兹的数量决定的，但是其它的因素，例如设计方法，也同样的影响着芯片的性能。 　　?你为你的PC选择什么样的CPU取决于你将愿意花多少钱，以及你打算用PC来干什么。 　　 　　一、物理结构 　　 　　在你了解你的CPU如何工作以前，你应该知道它是由什么制成的。CPU是由数百万在显微镜下才能看得见的晶体管，经过化学的和照相平板印刷的过程，蚀刻到一块磨光了的只有你拇指甲盖大小的硅片上而形成的。 　　那些微小的晶体管用来存储表示0、1的电荷，而0、1则构成了计算机所能使用的二进制语言。成组的晶体管连在一起存储数据；它们还对数据进行逻辑的和数学的计算，并且借助于一个石英的晶体钟，像同步的游泳者一样协调一致地发挥作用。简言之，它们能够处理数据。 　　 　　二、CPU的组成 　　 　　CPU处理存储在内存单元上的信息。那些信息可以是数据，也可以是指令。数据是一个二进制表达式，例如表示字母、数字和颜色。而指令则告诉CPU如何处理这些数据，例如对它们进行加、减或者移动等操作。 　　CPU对数据进行三种基本操作：读取数据、对数据进行处理、然后通常还要把把数据写回到存储器上。对于最简单的构成，CPU只需要四个部分来实现它对数据的操作：指令、指令指示器、一些寄存器以及算术逻辑单元。 　　指令指示器告诉CPU它所需要的指令放在内存中的哪个位置。 　　寄存器是CPU内部的临时存储单元。它保存等待被处理的数据，或者是已经处理过的数据（比如说，把两个数相加后的结果）。 　　算术逻辑单元，或简称为ALU,是CPU的运算器，执行指令所指示的数学和逻辑运算。 　　CPU还包括一些协助基本单元完成工作的附加单元： 　　取指器负责从RAM或者CPU上的存储区取出指令。 　　解码器从取指器中取出指令，把它翻译成CPU所能理解的语言。同时它也决定了完成该指令需要哪些步骤。 　　控制器的工作是管理和控制CPU的所有操作。它告诉ALU什么时候开始计算，取指器什么时候取一个0-1值，以及解码器什么时候把该值翻译成一条指令。 　　 　　三、跟踪指令的处理过程 　　 　　以下是CPU的工作过程：指令指示器指向内存中存放指令的地方。取指器在那里取出指令，并把它交给解码器。解码器解释指令，并决定为完成该指令需要哪些步骤。（一条指令可以由许多按规定顺序完成的步骤组成。） 　　然后，ALU执行指令所要求的操作：它对数据进行加、减运算，或者其它的一些处理。在CPU解释并执行完一条指令后，控制器会告诉取指器在内存中取出下一条指令。这个过程一直持续着――一条指令接一条指令，以令人眼花的速度运行――直到最后，产生你在屏幕上所见的结果。一个程序，例如文字处理，就是由一系列的指令和数据构成的。 　　为了使一切都按时发生，各组成部分还需要一个时钟发生器。时钟发生器是用来调节CPU的每一个动作的。像节拍器一样，它发出调整CPU步伐的脉冲。这些脉冲是以每秒数百万次，或者兆赫兹来计算的，后者，你也许还记得，是CPU原始频率的计量单位。时钟发生器每秒钟发出的脉冲越多，CPU的运行速度就越快。在相同的条件下，700 MHz的CPU比600 MHz的CPU运行得快，但是，对于几个CPU的并行以及其它的形式来说，这些数字的意义并不那么重大。 　　 　　四、CPU的增强功能 　　 　　CPU只需要几个基本的部分就可以完成其工作，但是一直以来，为了提高其整体性能，生产厂家不断地修改了它的基本设计。最终的目的是一致的：为了使它更快地处理数据。 　　在寻找提高处理速度的方法时，芯片制造商们发现CPU在向RAM读取数据或指令时，其本身没有在进行什么工作。为了减少CPU的空闲期，他们在CPU的内部放置了一块称为cache的存储区。数据和指令可以暂存在CPU中，这样就减少了访问RAM的次数。 　　出于扩展cache的想法，系统制造商们把高速的（价格昂贵的）RAM――也被称为第二级cache，或者L2 cache――放在CPU的第一级cache和RAM系统之间。越靠近CPU，就意味着访问RAM的次数越少。 　　第二级cache对于提高CPU的性能是如此有益，以致于不久许多处理器就把它集成到CPU的内部，为存放数据和指令提供了更多的空间。 　　 　　五、更多的ALUs以及新增的FPU 　　 　　为了提高运算性能，芯片制造商在CPU内部增设了另外一个算术逻辑单元。理论上，可以一次完成以前两倍的工作。使用多个ALU，就像厨房里有两个人，而不是一个人在张罗，这意味着工作可以完成得更快。 　　除了使用多个ALU，Intel还在CPU内部集成了浮点运算单元（FPU）。FPU能够处理非常大的数和非常小的数（具有许多十进制位）。在FPU处理这些运算时候，ALU可以空闲出来，做一些其它的事情，因而进一步增强了CPU的性能。 　　AMD和Intel都曾经通过对指令进行流水线操作，或者并行操作来加速指令的执行过程。一条指令的执行需要许多独立的步骤――例如取指和解码。本来CPU只能执行完一条指令以后才能开始下一条指令的执行。但是现在，离散的电路可以执行各个独立的步骤。 　　一旦一条指令从第一步执行到第二步，那么运行其第一步的晶体管就可以空出来，执行下一条指令，因而加快了执行速度。这就像爬*一样：一旦你的脚离开了一层台阶，你后面的人就可以跟上来。 　　为了提高CPU的性能，还增加了分支预测，即猜测程序可能会跳到哪一步；推测执行，即提前执行程序可能执行的步骤；还有随机运行，即不按程序的原有顺序来执行程序的指令。 　　所有这些改进都大大提高了CPU的运算速度，例如今年的二月份，已经达到了1 GHz的水平，但是性能的标准也变得不再可靠起来。计算机世界的测试表明最近几次速度的提升已经带来了负效益，特别是在使用那些非常依赖于硬盘的速度以及RAM的容量和速度的办公室应用软件的时候。 　　 　　六、PC机里的CPU 　　 　　有两大巨头主导着PC机的CPU市场：Intel和AMD，其中Intel在商用电脑和家用电脑的市场上占据了80%的份额。这两家公司都有适应于高档机、中档机和低档机的各种类型的CPU。也有其它公司生产的CPU，例如Motorola的PowerPC 750，该款CPU是为Apple的Macintosh而设计的。 　　无论是AMD的 Athlon ，还是 Intel的 Pentium III，在运行Microsoft的窗口操作系统时，其性能都是首屈一指的。这两款CPU在设计和性能上大致相当，两者都包含有能加速3D游戏和计算机辅助软件运行的增强功能。 　　AMD和Intel的高档CPU可供大量的PC机使用，其使用范围从中等价格的家用机（600-850 MHz）一直到最昂贵的工程系统和高档的多媒体系统（大约866 MHz以上）。而最新款的CPU的价格可以在整个系统价格的$200 到 $1000 之间。 　　在高档机中，具有1-GHz的CPU频率的PC机，价格在$2700 到$3300 之间,同时还取决于它的其它配件。而在中档机中，拥有Intel或者AMD的600-850 MHz CPU的PC机，其价格从900美元高达1600多美元. 　　某些经济实惠的CPU（价格在$150以下的）与Athlons和PIIIs相比，其时钟速度要慢一些，cache的容量也更小，或速度更慢，并且增强功能也较少。例如AMD的K6-III、K6-2 以及Intel的Celeron，可作为价格低于$1000的PC机的配置. 　　便携式电脑上通常不能运行最快的CPU。因为桌面型的设计比膝上型的更易于散热，这就意味着后者只能使用速度较慢且功能还不是那么强大的CPU。而且处理器的速度越快，消耗的电能就越多，也就很容易耗光电池的能量。所以目前，所使用的最快的便携式电脑的频率大约为700 MHz。 　　 　　七、前景展望 　　 　　CPU的制造商们总是不断地寻求改进的方法来提高CPU的性能。最近，他们的制作工艺已经从0.25微米达到了0.18微米的新水平，这使得晶体管之间的间隔更小，并且与同样设计的结构相比，其运行速度更快，发热量更小。另外，用于晶体管间互连的铝线也已经被铜线所代替，而后者具有更佳的导电性能。 　　但是这些改进并不意味着会停止对更高的CPU时钟频率的追逐。Intel已经推出新一代的Pentium4处理器，其频率高达1.5 GHz，并将在今年年底上市。AMD也承诺将紧追不舍。（编译 蒋志华）