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中央处理器

来源:科学揭秘 作者:小慧 时间:2020-05-04 20:03:29

中央处理器

中央处理器(CPU,central processing unit)作为计算机系统的运算和控制核心,是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU 自产生以来,在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

简介

中央处理器(CPU),是电子计算机的主要设备之一,电脑中的核心配件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU是计算机中负责读取指令,对指令译码并执行指令的核心部件。中央处理器主要包括两个部分,即控制器、运算器,其中还包括高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制的总线。电子计算机三大核心部件就是CPU、内部存储器、输入/输出设备。中央处理器的功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。 [2] 

在计算机体系结构中,CPU 是对计算机的所有硬件资源(如存储器、输入输出单元) 进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。CPU 是计算机的运算和控制核心。计算机系统中所有软件层的操作,最终都将通过指令集映射为CPU的操作。

发展历史

CPU出现于大规模集成电路时代,处理器架构设计的迭代更新以及集成电路工艺的不断提升促使其不断发展完善。从最初专用于数学计算到广泛应用于通用计算,从4位到8位、16位、32位处理器,最后到64位处理器,从各厂商互不兼容到不同指令集架构规范的出现,CPU 自诞生以来一直在飞速发展。

CPU发展已经有40多年的历史了。我们通常将其分成 六个阶段。

(1)第一阶段(1971年-1973年)。这是4位和8位低档微处理器时代,代表产品是Intel 4004处理器。

1971年,Intel生产的4004微处理器将运算器和控制器集成在一个芯片上,标志着CPU的诞生; 1978年,8086处理器的出现奠定了X86指令集架构, 随后8086系列处理器被广泛应用于个人计算机终端、高性能服务器以及云服务器中。

(2)第二阶段(1974年-1977年)。这是8位中高档微处理器时代,代表产品是Intel 8080。此时指令系统已经比较完善了。

(3)第三阶段(1978年-1984年)。这是16位微处理器的时代,代表产品是Intel 8086。相对而言已经比较成熟了。

(4)第四阶段(1985年-1992年)。这是32位微处理器时代,代表产品是Intel 80386。已经可以胜任多任务、多用户的作业。

1989 年发布的80486处理器实现了5级标量流水线,标志着CPU的初步成熟,也标志着传统处理器发展阶段的结束。 [1] 

(5)第五阶段(1993年-2005年)。这是奔腾系列微处理器的时代。

1995 年11 月,Intel发布了Pentium处理器,该处理器首次采用超标量指令流水结构,引入了指令的乱序执行和分支预测技术,大大提高了处理器的性能, 因此,超标量指令流水线结构一直被后续出现的现代处理器,如AMD(Advanced Micro devices)的K9、 K10、Intel的Core系列等所采用。

(6)第六阶段(2005年至今)。是酷睿系列微处理器的时 代,这是一款领先节能的新型微架构,设计的出发点是提供卓然出众的性能和能效。

为了满足操作系统的上层工作需求,现代处理器进一步引入了诸如并行化、多核化、虚拟化以及远程管理系统等功能,不断推动着上层信息系统向前发展。

工作原理

冯诺依曼体系结构是现代计算机的基础。在该体系结构下,程序和数据统一存储,指令和数据需要从同一存储空间存取,经由同一总线传输,无法重叠执行。根据冯诺依曼体系,CPU的工作分为以下 5 个阶段:取指令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数和结果写回。

取指令(IF,instruction fetch),即将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。程序计数器中的数值,用来指示当前指令在主存中的位置。当 一条指令被取出后,PC中的数值将根据指令字长度自动递增。

指令译码阶段(ID,instruction decode),取出指令后,指令译码器按照预定的指令格式,对取回的指令进行拆分和解释,识别区分出不同的指令类 别以及各种获取操作数的方法。

执行指令阶段(EX,execute),具体实现指令的功能。CPU的不同部分被连接起来,以执行所需的操作。

访存取数阶段(MEM,memory),根据指令需要访问主存、读取操作数,CPU得到操作数在主存中的地址,并从主存中读取该操作数用于运算。部分指令不需要访问主存,则可以跳过该阶段。

结果写回阶段(WB,write back),作为最后一个阶段,结果写回阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。结果数据一般会被写到CPU的内部寄存器中,以便被后续的指令快速地存取;许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态,这些标志位标识着不同的操作结果,可被用来影响程序的动作。

在指令执行完毕、结果数据写回之后,若无意外事件(如结果溢出等)发生,计算机就从程序计数器中取得下一条指令地址,开始新一轮的循环,下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

 

 

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