中央處理器CPU電腦內(nèi)部是怎麼運(yùn)作

中央處理器 (CPU)電腦內(nèi)部是怎麼運(yùn)作的第四章 n講解中央處理器的各個組成元件，說明他們彼此間如何運(yùn)作以及與記憶體的溝通n描述電腦如何執(zhí)行程式指令n解釋電腦如何表示資料n描述電腦如何找到指令和資料n講解微電腦系統(tǒng)單元上的主機(jī)板的各個元件n明瞭電腦處理速度的計量方式以及增加速度的方法 n將資料轉(zhuǎn)換成資訊n控制中心n執(zhí)行儲存在記憶體中程式指令的一組電路n分成兩個主要部分控制單元 (CU)算術(shù)邏輯單元 (ALU) n硬體的一部分，負(fù)責(zé)控制n指示電腦系統(tǒng)執(zhí)行程式指令n負(fù)責(zé)與硬體其它部分的溝通 負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算動作負(fù)責(zé)執(zhí)行邏輯運(yùn)算動作 加法減法乘法除法 n評估條件值n進(jìn)行比較n可以比較數(shù)字字母特別字元 各有特殊的用途速度快是個暫時存放的地方 位於 CPU 中指令暫存器儲存目前正在執(zhí)行的指令資料暫存器儲存正等著被處理的資料儲存處理過後的結(jié)果 n輔助儲存體儲存以後要用到的資料長期儲存n記憶體儲存最近要使用的資料暫時儲存存取速度比輔助儲存體快n暫存器儲存與目前正在執(zhí)行的指令立即相關(guān)的資料存取速度記憶體快 儲存體容量的測量單位KB kilobyte 1024 個位元組有些磁片快取記憶體MB megabyte約百萬個位元組 RAM GB gigabyte約十億個位元組硬碟 CD 和 DVDTB terabytes約一兆個位元組大型硬碟 主要儲存體 (primary storage)Primary memoryMain storageInternal storage主記憶體 (Main memory) n需要電流才能保持資料n揮發(fā)性 (Volatile)n可以讀取及修改裡面的指令和資料n使用者通常是指這種記憶體 n作業(yè)系統(tǒng)n目前正在執(zhí)行中的程式n上述程式需要的資料n等著要輸出的中間結(jié)果 n非揮發(fā)性 (Non-volatile)n負(fù)責(zé)開機(jī)的指令n裡面的指令和資料可以讀取，但不能修改n這些指令通常是在工廠裡燒錄進(jìn)去的 n CU 擷取指令放進(jìn)記憶體中n CU 將此指令解碼 n CU 通知硬體相關(guān)部分準(zhǔn)備採取行動n將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到硬體的相關(guān)部分n執(zhí)行工作n控制權(quán)回到 CU I-timen CU 從記憶體中擷取 (fetch)指令，然後放進(jìn)暫存器中n CU將此指令解碼 (decode)，並決定所需要的資料在記憶體中的位置 E-timen執(zhí)行CU 將資料從記憶體搬移到 ALU 內(nèi)的暫存器中由 ALU 負(fù)責(zé)控制與執(zhí)行指令控制權(quán)回到 CUn CU 將運(yùn)算後的結(jié)果存放在記憶體或暫存器中 n系統(tǒng)時鐘以固定的速率製造脈波n每個脈波就是一個機(jī)器循環(huán)週期n一個程式指令可能是由一串給 CPU 的小指令所組成n每一個 CPU 指令至少必須要花一個脈波才能完成n每一種類型的 CPU 都有一組指令集 也就是它能了解與處理的指令 n記憶體中的每個位置都會被標(biāo)示一個獨一無二的位址 (address)位址不會改變內(nèi)容可能會改變n每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料n程式設(shè)計師會使用符號位址 使用二進(jìn)位系統(tǒng)來表示電路的狀態(tài) n位元 (BIT)Binary DigIT電路開或關(guān) (On/off)1 或 0n位元組 (BYTE)8 個 bit每一個位元組可儲存一個字元n字組 (WORD)暫存器的大小CPU在處理時當(dāng)做一個單位的位元個數(shù) n ASCII使用一個包含8個位元的位元組 28 = 256 種可能的組合或字元用在幾乎所有的 PC 和許多較大型的電腦n EBCDIC使用一個包含8個位元的位元組 28 =256種可能的組合或字元主要用在 IBM 相容的大型主機(jī)n Unicode使用兩個包含8個位元的位元組 (16 個位元) 2 16 = 65,536 種可能的組合或字元可支援世界上所有語言所需要的字與 ASCII 回溯相容 n放置電腦元件主機(jī)板 儲存設(shè)備連線n有些Apple Macintosh電腦則是把系統(tǒng)單元放在螢?zāi)煌鈿ぱe 主機(jī)板包含n微處理器晶片n記憶體晶片n與其它硬體部分的連線n其它可能加入的晶片 如數(shù)學(xué)輔助處理器 儲存設(shè)備硬碟機(jī)軟碟機(jī)CD-ROM 光碟機(jī)DVD-ROM光碟機(jī) n CPU 是蝕刻在一個晶片上n晶片大小是 x 吋n由矽元素組成n包含數(shù)百萬個電晶體它是可控制電流通過的電子閘門 n控制單元 CUn算術(shù)邏輯單元 ALUn暫存器n系統(tǒng)時鐘 n將整個電腦的電路放進(jìn)一片微晶片中更便宜更快n執(zhí)行先前由其他硬體所負(fù)責(zé)的功能數(shù)學(xué)輔助處理器現(xiàn)在是微處理器的一部分多媒體指令現(xiàn)在也成了微處理器的一部分 n電腦跑得更快n造價更便宜n更穩(wěn)定合併到微處理器上的功能越多： 和 Intel 相容n Cyrixn AMD n PowerPC由 Apple、IBM 和 Motorola 所合作設(shè)計主要是用在Apple Macintosh個人電腦家族上它也可以用在伺服器與內(nèi)嵌式系統(tǒng)中n Alpha由Compaq (康柏) 所製造用在高階伺服器與工作站上 n互補(bǔ)金氧半導(dǎo)體 (Complementary metal oxide semiconductor)n只耗用一點點電力n用在 PC 上儲存電腦在開機(jī)過程所需要的硬體設(shè)定資訊n藉由電池的電力使它在電腦關(guān)機(jī)後仍然保存著資料 n保存目前執(zhí)行中程式的指令與資料n在記憶體裡的資料可以被隨機(jī)存取n存取方便且快速n揮發(fā)性n電源關(guān)閉後 RAM 上的資料就會消失n RAM 上的資料可以被修改 n只要有電力，儲存內(nèi)容就會依舊存在n速度比 DRAM 快 DRAMn必須持續(xù)充電n因為它的體積與價格的優(yōu)勢，大多數(shù)的 PC 記憶體都使用它n SDRAM 比較快的一種 DRAMn Rambus DRAM速度比 SDRAM 快價格較貴 n購買封裝在電路板上的記憶體模組n SIMM 晶片是安裝在電路板的一邊n DIMM 晶片是安裝在電路板的兩邊n你能安裝的RAM數(shù)量最多是多少，取決於主機(jī)板的設(shè)計 n在工廠製造時便燒錄了永久的程式和資料n可以被讀取n可以被使用n使用者不能修改n儲存電腦開機(jī)時所需要啟動的開機(jī)程序n非揮發(fā)性 n可程式化 (Programmable) ROMn ROM 燒錄器 (ROM burner) 可以修改某些特殊 ROM 晶片上的指令 n一組傳送電子訊號的電路n系統(tǒng)匯流排負(fù)責(zé)在 CPU 與記憶體之間傳送資料n匯流排寬度電腦一次可以傳輸?shù)馁Y料位元數(shù)通常會和 CPU 的字組 (word) 大小一致n速度是用 megahertz (MHz) 來衡量 匯流排寬度越大=電腦的運(yùn)算能力越強(qiáng)CPU 一次可以傳輸更多的資料=電腦速度變快CPU 能參考到更大的記憶體位址=有更多的記憶體 n連接到擴(kuò)充槽n將擴(kuò)充電路板插入擴(kuò)充槽裡介面卡 (interface card)adapter cardn提供外部的連接端 / 連接埠序列埠平行埠 用在慢速的裝置如滑鼠和數(shù)據(jù)機(jī)上適用於連接高速的裝置如硬碟和網(wǎng)路卡上連接記憶體與圖形卡以提供更快速的視訊效能支援 “daisy-chaining” 功能，省去需要多張擴(kuò)充卡的麻煩；可以“熱切換” (hot-swappable)一種高速的匯流排，通常是用在連接視訊設(shè)備到你的電腦上信用卡般大小的 PC Card 裝置，通常是用在筆記型電腦上 是什麼因素讓某臺電腦比其他電腦更快呢？n微處理器的速度n匯流排的大小n有沒有快取 (cache)n快閃記憶體n RISC 電腦n平行處理 完成指令執(zhí)行所需要的時間千分之一秒 (Millisecond)n百萬分之一秒 (Microsecond)n十億分之一秒 (Nanosecond)目前新型的電腦n兆分之一秒 (Picosecond)未來的電腦 n時鐘速度百萬赫茲 (Megahertz，MHz) 十億赫茲 (Gigahertz，GHz) n每秒完成的指令個數(shù)每秒一百萬個指令 (MIPS)n電腦處理複雜數(shù)學(xué)計算的能力每秒一百萬個浮點運(yùn)算 (Megaflop) n它是一塊小但非常快速的暫存記憶體n目的為了加速內(nèi)部資料和軟體指令的傳輸n存放著最近用過或最常被使用到的資料和指令 第 1 步處理器要求擷取資料或指令第 2 步到主記憶體中的該位址去讀取第 3 步傳送到 CPU 和快取中下一次微處理器需要資料或指令時先到記憶體快取中尋找找不到再到記憶體中尋找 處理器RAM快取 n內(nèi)部快取第一級 (L1)內(nèi)建在微處理器中最多到 128KBn外部快取第二級 (L2)在單獨晶片上256KB 或 512 KBSRAM 技術(shù)它比L1快取便宜但是較慢比記憶體快但是較貴 n非揮發(fā)性 RAMn使用在行動電話數(shù)位相機(jī)數(shù)位錄音器PDA n CISC 技術(shù)複雜指令集計算模式一般傳統(tǒng)電腦其中許多指令很少用到n RISC 技術(shù)精簡指令集計算模式只提供一小組指令速度增快適合很少用到複雜指令的程式 n繪圖領(lǐng)域n工程領(lǐng)域 n循序處理每次只執(zhí)行一項指令擷取、解碼、執(zhí)行、儲存n平行處理同一時間有多個處理器同時工作有能力處理每秒鐘數(shù)兆個浮點數(shù)運(yùn)算指令例如網(wǎng)路伺服器與超級電腦 n管線技術(shù) (Pipelining)指令的動作並不需要在下一個指令開始運(yùn)作前完成例如指令 1 完成擷取動作開始解碼後，就可以開始擷取指令 2