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PC的“心”为什么跳的这样快 (2)
小梅　2000-11-28 16:50:40

　　微处理器的构成

　　CPU由多个部件组成，它们协同工作来实现复杂的计算功能。下面我们将具体讲述CPU的主要组成部件。

　　地址：地址也是一个数据，计算机使用它来确定某个数据在内存或者磁盘上的位置。在CPU处理数据的过程中，通常使用数据的地址，而不是数据的值来表示正在处理的数据。

　　总线：由一组导线组成，用来把数据从一个地方传送到另一个地方。计算机的总线称为数据总线或者系统总线，实现数据输入/输出设备、主存储器和CPU之间的数据传送。在CPU之中也包含内部总线，用于CPU内部各个部件之间的数据传送，此外，CPU还包含地址总线，用来连接CPU和计算机中的主存储器。在计算机术语中使用位宽度来区分不同种类的总线，即总线可以同时传送多少位比特的能力。

　　高速缓存：CPU执行指令的速度通常比计算机中的其它部件要快得多，因此，如果没有高速缓存的话，CPU将不得不花费大量的时间等待数据的到来。高速缓存的数据存取速度比普通内存要快很多。为了进一步提高处理效率，在一些CPU中采用了两级缓存结构：主缓存（L1）和二级缓存（L2），它们的区别在于所处的物理位置。L1缓存通常直接集成在CPU内部，而L2缓存可以位于计算机的主板上，也可以位于CPU的外部辅助芯片中（比如Intel的Pentium Ⅱ 和Pentium Ⅲ 处理器）。高速缓存用来存储即将执行的指令和相关数据，使传送到CPU的指令流能够跟得上CPU的处理速度，从而大大提高了CPU的处理效率。

　　时钟频率或速度：时钟速度是指在计算机的每一个内部时钟周期里，CPU所能完成的操作次数，通常用兆赫兹（MHz）来表示，即每秒钟执行的循环次数。完全用CPU的时钟速度来衡量CPU的快慢有时并不准确，由于不同的CPU可能采用了不同的内部结构和不同的指令集，因此，具有相同时钟速度的两个不同种类的CPU有时会具有不同的处理性能。

　　逻辑门：它是一个由一系列晶体管组成的电路，能够实现布尔逻辑运算（通过对信号的开/关和预定状态进行比较来决定结果是正确还是错误）。逻辑门是执行计算机指令的一个重要部件。

　　RAM（主存储器）：微处理器从辅助存储器，比如硬盘或CD-ROM中读取软件指令，然后把这些指令存放在计算机的主存储器中，等待CPU的访问。

　　寄存器：是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域。由于每一个寄存器都非常小，因此用来访问寄存器数据时所用的地址可以具有比较少的位数。这使得寄存器的存取速度远远高于普通内存，因为在访问普通内存时，确定一个地址需要二十个比特位的信息。

　　晶体管：每一个晶体管是微处理器内部电路中的一个三态门，包含相邻两层，一层带正电荷，另一层带负电荷。当一个电子脉冲到达晶体管时，它会根据情况放大这个脉冲（允许它通过并达到下一个晶体管），或者屏蔽掉这个脉冲。

　　ALU（算术逻辑单元）：是CPU内部用来处理算术运算和布尔逻辑运算的部件。布尔操作就是通过比较二进制数值来决定是否让CPU内部电路中的一个脉冲通过某个指定的门电路。逻辑操作通常具有如下形式：如果X为真并且Y为假，那么Z为真。

　　控制器：

　　控制器的工作是根据CPU从指令集或者用户输入那里取得的指令，完成下面四种基本操作：

　　l.取指令: 把即将执行的指令的下一个字的地址传送到地址总线，并且把数据放到指令缓存中的适当位置上。

　　2.译码:把当前从指令缓存中取到的指令传送到译码器中。

　　3.执行:在CPU的ALU中对算术和逻辑运算进行初始化操作，并且控制数据流的传送过程。

　　4.存储:把指令的执行结果存储到适当的寄存器或者内存地址中。

　　译码器：从指令缓存中取出用机器语言表示的指令，并把它们翻译成ALU能够识别和处理的二进制形式。

　　FPU（浮点运算单元）：某些计算机操作要求处理非整型的数据（比如以十进制形式表示的分数），而ALU并不具备这种能力。因此，在1989年之前，芯片制造商通常会在计算机的主板上增加一个外部的FPU芯片来处理这种比较复杂的操作。Intel 80486（就是通常所说的486）是世界上第一个把FPU集成在CPU内部的微处理器，此后，几乎所有的CPU都采用了同样的做法。在目前人们使用的各种计算机软件中，浮点运算操作通常发生在处理高质量的图形过程中，比如CAD（计算机辅助设计）软件或者3D游戏软件。

　　指令集：是永久存储在处理器内部结构中的一组机器指令的集合。CPU就是基于自身的物理结构和指令集来理解和执行各种计算机程序，从而实现不同的软件功能。目前主要有两类指令集，分别是CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）。一个RISC处理器只识别和执行比较少的指令，从而能够获得比较高的执行效率。而且，所有的RISC指令都具有同样的长度，处理起来更加方便和快捷。CISC处理器则不是这样，它的指令长度从8位到120位不等。Intel X86处理器都采用CISC指令集。

　　预取单元：是一小块存储器，用来存放从主存储器中取回的指令，等待CPU的执行。预取单元通过对CPU的指令缓存和主存储器进行检查来判断如何处理取回的指令，并且在译码器和控制器进行解码和执行当前指令的时候，决定应当如何进行下一步操作。从而大大减少了CPU用来等待指令的时间。

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