處理器體系結構――了解CPU的基本原理

Central Processing Unit(CPU)：中央處理器，PC的大腦，是計算機中處理數據的地方，同時也是性能和價格的決定因素。

在過去的一年中，CPU的速度已從600 MHz飆升至1 GHz。到今年年底，CPU的速度有望突破1.5 GHz大關。CPU的速度競賽仍在繼續(xù)，但是有一點要注意：你的CPU的性能絕不僅僅是由MHz或者GHz前面的數字來決定的DD那只是商家用來吹噓的賣點。隨著芯片運算速度的加快以及在應用中對性能需求的增加，你比以往任何時候更需要了解在你的CPU中到底發(fā)生著什么事情。

以下是你所應該知道的：

?CPU的三項基本功能：讀數據、處理數據以及把數據寫到存儲器中。

?CPU的原始頻率是由兆赫茲的數量決定的，但是其它的因素，例如設計方法，也同樣的影響著芯片的性能。

?你為你的PC選擇什么樣的CPU取決于你將愿意花多少錢，以及你打算用PC來干什么。

一、物理結構

在你了解你的CPU如何工作以前，你應該知道它是由什么制成的。CPU是由數百萬在顯微鏡下才能看得見的晶體管，經過化學的和照相平板印刷的過程，蝕刻到一塊磨光了的只有你拇指甲蓋大小的硅片上而形成的。

那些微小的晶體管用來存儲表示0、1的電荷，而0、1則構成了計算機所能使用的二進制語言。成組的晶體管連在一起存儲數據;它們還對數據進行邏輯的和數學的計算，并且借助于一個石英的晶體鐘，像同步的游泳者一樣協(xié)調一致地發(fā)揮作用。簡言之，它們能夠處理數據。

二、CPU的組成

CPU處理存儲在內存單元上的信息。那些信息可以是數據，也可以是指令。數據是一個二進制表達式，例如表示字母、數字和顏色。而指令則告訴CPU如何處理這些數據，例如對它們進行加、減或者移動等操作。

CPU對數據進行三種基本操作：讀取數據、對數據進行處理、然后通常還要把把數據寫回到存儲器上。對于最簡單的構成，CPU只需要四個部分來實現它對數據的操作：指令、指令指示器、一些寄存器以及算術邏輯單元。

指令指示器告訴CPU它所需要的指令放在內存中的哪個位置。

寄存器是CPU內部的臨時存儲單元。它保存等待被處理的數據，或者是已經處理過的數據(比如說，把兩個數相加后的結果)。

算術邏輯單元，或簡稱為ALU,是CPU的運算器，執(zhí)行指令所指示的數學和邏輯運算。

CPU還包括一些協(xié)助基本單元完成工作的附加單元：

取指器負責從RAM或者CPU上的存儲區(qū)取出指令。

解碼器從取指器中取出指令，把它翻譯成CPU所能理解的語言。同時它也決定了完成該指令需要哪些步驟。

控制器的工作是管理和控制CPU的所有操作。它告訴ALU什么時候開始計算，取指器什么時候取一個0-1值，以及解碼器什么時候把該值翻譯成一條指令。

三、跟蹤指令的處理過程

以下是CPU的工作過程：指令指示器指向內存中存放指令的地方。取指器在那里取出指令，并把它交給解碼器。解碼器解釋指令，并決定為完成該指令需要哪些步驟。(一條指令可以由許多按規(guī)定順序完成的步驟組成。)

然后，ALU執(zhí)行指令所要求的操作：它對數據進行加、減運算，或者其它的一些處理。在CPU解釋并執(zhí)行完一條指令后，控制器會告訴取指器在內存中取出下一條指令。這個過程一直持續(xù)著DD一條指令接一條指令，以令人眼花的速度運行DD直到最后，產生你在屏幕上所見的結果。一個程序，例如文字處理，就是由一系列的指令和數據構成的。

為了使一切都按時發(fā)生，各組成部分還需要一個時鐘發(fā)生器。時鐘發(fā)生器是用來調節(jié)CPU的每一個動作的。像節(jié)拍器一樣，它發(fā)出調整CPU步伐的脈沖。這些脈沖是以每秒數百萬次，或者兆赫茲來計算的，后者，你也許還記得，是CPU原始頻率的計量單位。時鐘發(fā)生器每秒鐘發(fā)出的脈沖越多，CPU的運行速度就越快。在相同的條件下，700 MHz的CPU比600 MHz的CPU運行得快，但是，對于幾個CPU的并行以及其它的形式來說，這些數字的意義并不那么重大。

四、CPU的增強功能

CPU只需要幾個基本的部分就可以完成其工作，但是一直以來，為了提高其整體性能，生產廠家不斷地修改了它的基本設計。最終的目的是一致的：為了使它更快地處理數據。

在尋找提高處理速度的方法時，芯片制造商們發(fā)現CPU在向RAM讀取數據或指令時，其本身沒有在進行什么工作。為了減少CPU的空閑期，他們在CPU的內部放置了一塊稱為cache的存儲區(qū)。數據和指令可以暫存在CPU中，這樣就減少了訪問RAM的次數。

出于擴展cache的想法，系統(tǒng)制造商們把高速的(價格昂貴的)RAMDD也被稱為第二級cache，或者L2 cacheDD放在CPU的第一級cache和RAM系統(tǒng)之間。越靠近CPU，就意味著訪問RAM的次數越少。

第二級cache對于提高CPU的性能是如此有益，以致于不久許多處理器就把它集成到CPU的內部，為存放數據和指令提供了更多的空間。

五、更多的ALUs以及新增的FPU

為了提高運算性能，芯片制造商在CPU內部增設了另外一個算術邏輯單元。理論上，可以一次完成以前兩倍的工作。使用多個ALU，就像廚房里有兩個人，而不是一個人在張羅，這意味著工作可以完成得更快。

除了使用多個ALU，Intel還在CPU內部集成了浮點運算單元(FPU)。FPU能夠處理非常大的數和非常小的數(具有許多十進制位)。在FPU處理這些運算時候，ALU可以空閑出來，做一些其它的事情，因而進一步增強了CPU的性能。

AMD和Intel都曾經通過對指令進行流水線操作，或者并行操作來加速指令的執(zhí)行過程。一條指令的執(zhí)行需要許多獨立的步驟DD例如取指和解碼。本來CPU只能執(zhí)行完一條指令以后才能開始下一條指令的執(zhí)行。但是現在，離散的電路可以執(zhí)行各個獨立的步驟。

一旦一條指令從第一步執(zhí)行到第二步，那么運行其第一步的晶體管就可以空出來，執(zhí)行下一條指令，因而加快了執(zhí)行速度。這就像爬梯子一樣：一旦你的腳離開了一層臺階，你后面的人就可以跟上來。

為了提高CPU的性能，還增加了分支預測，即猜測程序可能會跳到哪一步;推測執(zhí)行，即提前執(zhí)行程序可能執(zhí)行的步驟;還有隨機運行，即不按程序的原有順序來執(zhí)行程序的指令。

所有這些改進都大大提高了CPU的運算速度，例如今年的二月份，已經達到了1 GHz的水平，但是性能的標準也變得不再可靠起來。計算機世界的測試表明最近幾次速度的提升已經帶來了負效益，特別是在使用那些非常依賴于硬盤的速度以及RAM的容量和速度的辦公室應用軟件的時候。

六、PC機里的CPU

有兩大巨頭主導著PC機的CPU市場：Intel和AMD，其中Intel在商用電腦和家用電腦的市場上占據了80%的份額。這兩家公司都有適應于高檔機、中檔機和低檔機的各種類型的CPU。也有其它公司生產的CPU，例如Motorola的PowerPC 750，該款CPU是為Apple的Macintosh而設計的。

無論是AMD的 Athlon ，還是 Intel的 Pentium III，在運行Microsoft的窗口操作系統(tǒng)時，其性能都是首屈一指的。這兩款CPU在設計和性能上大致相當，兩者都包含有能加速3D游戲和計算機輔助軟件運行的增強功能。

AMD和Intel的高檔CPU可供大量的PC機使用，其使用范圍從中等價格的家用機(600-850 MHz)一直到最昂貴的工程系統(tǒng)和高檔的多媒體系統(tǒng)(大約866 MHz以上)。而最新款的CPU的價格可以在整個系統(tǒng)價格的$200 到 $1000 之間。

在高檔機中，具有1-GHz的CPU頻率的PC機，價格在$2700 到$3300 之間,同時還取決于它的其它配件。而在中檔機中，擁有Intel或者AMD的600-850 MHz CPU的PC機，其價格從900美元高達1600多美元.

某些經濟實惠的CPU(價格在$150以下的)與Athlons和PIIIs相比，其時鐘速度要慢一些，cache的容量也更小，或速度更慢，并且增強功能也較少。例如AMD的K6-III、K6-2 以及Intel的Celeron，可作為價格低于$1000的PC機的配置.

便攜式電腦上通常不能運行最快的CPU。因為桌面型的設計比膝上型的更易于散熱，這就意味著后者只能使用速度較慢且功能還不是那么強大的CPU。而且處理器的速度越快，消耗的電能就越多，也就很容易耗光電池的能量。所以目前，所使用的最快的便攜式電腦的頻率大約為700 MHz。

七、前景展望

CPU的制造商們總是不斷地尋求改進的方法來提高CPU的性能。最近，他們的制作工藝已經從0.25微米達到了0.18微米的新水平，這使得晶體管之間的間隔更小，并且與同樣設計的結構相比，其運行速度更快，發(fā)熱量更小。另外，用于晶體管間互連的鋁線也已經被銅線所代替，而后者具有更佳的導電性能。

但是這些改進并不意味著會停止對更高的CPU時鐘頻率的追逐。Intel已經推出新一代的Pentium4處理器，其頻率高達1.5 GHz，并將在今年年底上市。AMD也承諾將緊追不舍。