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CPU的工作原理浅析

一个完整的微型计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机硬件是指组成一台计算机的各种物理装置,
它们是由各种实在的器件所组成,是计算机进行工作的物质基础。计算机硬件系统中最重要的组成部分是中央处理器(CPU ) 。
(一)CPU的基本概念和组成
中央处理器简称CPU(Central Processing
Unit),它是计算机系统的核心,主要包括运算器和控制器两个部件。如果把计算机比作一个人,那么CPU就是心脏,其重要作用由此可见一斑。CPU的内部结构可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分,三个部分相互协调,便可以进行分析,判断、运算并控制计算机各部分协调工作。
 
计算机发生的所有动作都是受CPU控制的。其中运算器主要完成各种算术运算(如加、减、乘、除)和逻辑运算( 如逻辑加、逻辑乘和非运算);
而控制器不具有运算功能,它只是读取各种指令,并对指令进行分析,作出相应的控制。通常,在CPU中还有若干个寄存器,它们可直接参与运算并存放运算的中间结果。
我们常说的CPU都是X86系列及兼容CPU ,所谓X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CP
U(i8086)专门开发的,美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU— i8088(i8086
简化版)使用的也是X86指令,同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数学协处理器则另外使用X8
7指令,以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着CPU技术的不断发展,Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium
Ⅲ系列,但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源,Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。
另外除Intel 公司之外,AMD和Cyrix等厂家也相继生产出能使用X86指令集的CPU,由于这些CPU能运行所有的为Inte l
CPU所开发的各种软件,所以电脑业内人士就将这些CPU列为Intel的CPU兼容产品。由于Intel X8
6系列及其兼容CPU都使用X86指令集,就形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。
(二)CPU主要技术参数
CPU品质的高低直接决定了一个计算机系统的档次,而 CPU的主要技术特性可以反映出CPU的大致性能。
1、位、字节和字长
CPU可以同时处理的二进制数据的位数是其最重要的一个品质标志。人们通常所说的16位机、32位机就是指该微机中的C
PU可以同时处理16位、32位的二进制数据。早期有代表性的IBM PC/XT、IBM PC/AT与
286机是16位机,386机和486机是32位机,586机则是64位的高档微机。
CPU按照其处理信息的字长可以分为:八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等。
位:在数字电路和电脑技术中采用二进制,代码只有“0”和“1”,其中无论是“0”或是“1”在CPU中都是一“位”。
字节和字长:电脑技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示,所以通常就将8位称为一个字节。字节的长度是不固定的,对于不同的CPU、字长的长度也不一样。8位的CPU一次只能处理一个宇节,而32位的CPU一次就能处理4
个宇节,同理字长为64位的
C PU一次可以处理8个字节。
2、CPU外频
CPU外频也就是常见特性表中所列的CPU总线频率,是由主板为CPU提供的基准时钟频率,而CPU的工作主频则按倍频系数乘以外频而来。在Pentium时代,
CPU的外频一般是60/66MHz,从Pentium II
350开始,CPU外频提高到1O0MHz。由于正常情况下CPU总线频率和内存总线频率相同,所以当CPU外频提高后,与内存之间的交换速度也相应得到了提高,对提高电脑整体运行速度影响较大。
 
3、前端总线(FSB)频率
前端总线也就是以前所说的CPU总线,由于在目前的各种主板上前端总线频率与内存总线频率相同,所以也是 CPU与内存以及L2
Cache(仅指Socket
7主板)之间交换数据的工作时钟。由于数据传输最大带宽取决所同时传输的数据位宽度和传输频率,即数据带宽=(总线频率(数据宽度)/8。例如Intel公司的PⅡ
333使用6 6MHz的前端总线,所以它与内存之间的数据交换带宽为52