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cpu的内部结构

高工
2014-06-12 10:37:33    评分

cpu的内部结构

1.算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)
ALU是运算器的核心。它是以全加器为基础,辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路,在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。就像刚才提到的,这里就相当于工厂中的生产线,负责运算数据。

2.寄存器组 RS(Register Set或Registers)
RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方,里面保存着那些等待处理的数据,或已经处理过的数据,CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器,可以减少CPU访问内存的次数,从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限,寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。通用寄存器的数目因微处理器而异。

3.控制单元(Control Unit)
正如工厂的物流分配部门,控制单元是整个CPU的指挥控制中心,由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三个部件组成,对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器IR中,通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作,然后通过操作控制器OC,按确定的时序,向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

4.总线(Bus)
就像工厂中各部位之间的联系渠道,总线实际上是一组导线,是各种公共信号线的集合,用于作为电脑中所有各组成部分传输信息共同使用的“公路”。直接和 CPU相连的总线可称为局部总线。其中包括: 数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus) 、控制总线CB(Control Bus)。其中,数据总线用来传输数据信息;地址总线用于传送CPU发出的地址信息;控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。

CPU的工作流程

由晶体管组成的CPU是作为处理数据和执行程序的核心,其英文全称是:Central Processing Unit,即中央处理器。首先,CPU的内部结构可以分为控制单元,逻辑运算单元和存储单元(包括内部总线及缓冲器)三大部分。CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令),经过物资分配部门(控制单元)的调度分配,被送往生产线(逻辑运算单元),生产出成品(处理后的数据)后,再存储在仓库(存储单元)中,最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中,我们注意到从控制单元开始,CPU就开始了正式的工作,中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理,交到存储单元代表工作的结束。

Core架构CPU内部结构示意图

英特尔微处理器现在的内部结构因不同的用途而异。包括“P5”结构的Pentium、“P6”结构的Pentium Pro/II/III、“NetBurst”结构的Pentium 4/D及至强,以及“Banias”结构的Pentium M与Core Duo。

在这种状况下,服务器和台式机与笔记本微处理器的内部结构是不同的。这种状况将于2006年3季度得到改善,届时将采用全新的统一架构“Core”。其结构示意图如下图所示。

  指令行数由过去的3个增至4个。过去的双核产品每个内核分别配备自己的高速缓存。而Core结构则由2个CPU内核共享高速缓存。当内核使用相同地址空间的数据时,不再需要通过前端总线交换数据。除此之外,还追加了从内存中将数据预取至高速缓存的功能,以及一个时钟周期对128位数据包进行运算的SSE指令等。管线级数为14级。




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