CPU的原始工作模式

在了解CPU工作原理之前，我們先簡(jiǎn)潔談?wù)凜PU是如何生產(chǎn)出來(lái)的。CPU是在

特別純潔的硅材料上制造的。一個(gè)CPU芯片包含上百萬(wàn)個(gè)精巧的晶體管。人們?cè)?/p>

一塊指甲蓋大小的硅片上，用化學(xué)的方法蝕刻或光刻出晶體管。因此，從這個(gè)意

義上說(shuō)，CPU正是由晶體管組合而成的。簡(jiǎn)潔而言，晶體管就是微型電子開關(guān)，

它們是構(gòu)建CPU的基石，你可以把一個(gè)晶體管當(dāng)作一個(gè)電燈開關(guān)，它們有個(gè)操作

位，分別代表兩種狀態(tài):ON(開)和OFF(關(guān))。這一開一關(guān)就相當(dāng)于晶體管的連通

與斷開，而這兩種狀態(tài)正好與二進(jìn)制中的根底狀態(tài)“0”和“1”對(duì)應(yīng)！這樣，計(jì)

算機(jī)就具備了處理信息的力氣。

但你不要以為，只有簡(jiǎn)潔的“0”和，”兩種狀態(tài)的晶體管的原理很簡(jiǎn)潔，其

實(shí)它們的進(jìn)展是經(jīng)過(guò)科學(xué)家們多年的辛苦爭(zhēng)論得來(lái)的。在晶體管之前，計(jì)算機(jī)依

靠速度緩慢、低效率的真空電子管和機(jī)械開關(guān)來(lái)處理信息。后來(lái)，科研人員把兩

個(gè)晶體管放置到一個(gè)硅晶體中，這樣便創(chuàng)作出第一個(gè)集成電路，再后來(lái)才有了微

處理器。

看到這里，你確定想知道，晶體管是如何利用“0”和“1”這兩種電子信號(hào)來(lái)

執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)的呢？其實(shí)，全部電子設(shè)備都有自己的電路和開關(guān)，電子在

電路中流淌或斷開，完全由開關(guān)來(lái)把握，假設(shè)你將開關(guān)設(shè)置為OFF,電子將停頓

流淌，假設(shè)你再將其設(shè)置為ON,電子又會(huì)連續(xù)流淌。晶體管的這種0N與OFF的

切換只由電子信號(hào)把握，我們可以將晶體管稱之為二進(jìn)制設(shè)備。這樣，晶體管的

0N狀態(tài)用“1”來(lái)表示，而OFF狀態(tài)則用“0”來(lái)表示，就可以組成最簡(jiǎn)潔的二進(jìn)

制數(shù)。眾多晶體管產(chǎn)生的多個(gè)“1”與“0”的特別次序和模式能代表不同的狀況,

將其定義為字母、數(shù)字、顏色和圖形。舉個(gè)例子，十進(jìn)位中的1在二進(jìn)位模式時(shí)

也是“1”，2在二進(jìn)位模式時(shí)是“10”,3是“11”，4是“100”，5是

“101”，6是“110”等等,依此類推，這就組成了計(jì)算機(jī)工作承受的二講制語(yǔ)

言和數(shù)據(jù)。成組的晶體管聯(lián)合起來(lái)可以存儲(chǔ)數(shù)值，也可以進(jìn)展規(guī)律運(yùn)算和數(shù)字運(yùn)

算。加上石英時(shí)鐘的把握，晶體管組就像一部簡(jiǎn)潔的機(jī)器那樣同步地執(zhí)行它們的

功能。

CPU的內(nèi)部構(gòu)造

現(xiàn)在我們已經(jīng)或許知道CPU是負(fù)責(zé)些什么事情，但是具體由哪些部件負(fù)責(zé)處理

數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序呢？

1.算術(shù)規(guī)律單元ALU(ArithmeticLogicUnit)

ALU是運(yùn)算器的核心。它是以全加器為根底，輔之以移位存放器及相應(yīng)把握規(guī)律

組合而成的電路，在把握信號(hào)的作用下可完成加、減、乘、除四則運(yùn)算和各種規(guī)

律運(yùn)算。就像剛剛提到的，這里就相當(dāng)于工廠中的生產(chǎn)線，負(fù)責(zé)運(yùn)算數(shù)據(jù)。

2.存放器組RS(RegisterSet或Registers)

RS實(shí)質(zhì)上是CPU中臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，

或己經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)，CPU訪問(wèn)存放器所用的時(shí)間要比訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間短。承受

存放器，可以削減CPU訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了CPU的工作速度。但由于受

到芯片面積和集成度所限，存放器組的容量不行能很大。存放器組可分為專用存放

器和通用存放器。專用存放器的作用是固定的，分別存放相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而通用存

放器用途廣泛并可由程序員規(guī)定其用途。通用存放器的數(shù)目因微處理器而異。

3.把握單元(ControlUnit)

正如工廠的物流安排部門，把握單元是整個(gè)CPL的指揮把握中心，由指令存放

器IR(InstructionRegister)指令譯碼器ID(InstructionDecoder)和操作把

握器OC(OperationCcntrollcr)三個(gè)部件組成，對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)電腦有序工作極為

重要。它依據(jù)用戶預(yù)先編好的程序，依次從存儲(chǔ)器中取出各條指令，放在指令存

放器IR中，通過(guò)指令譯碼(分析)確定應(yīng)當(dāng)進(jìn)展什么操作，然后通過(guò)操作把握器

0C,按確定的時(shí)序，向相應(yīng)的部件發(fā)出微操作把握信號(hào)。操作把握器0C中主要

包括節(jié)拍脈沖發(fā)生器、把握矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復(fù)位電路和啟停電路等把握

規(guī)律。

4.總線(Bus)

就像工廠中各部位之間的聯(lián)系渠道，總線實(shí)際上是一組導(dǎo)線，是各種公共信號(hào)

線的集合，用于作為電腦中全部各組成局部傳輸信息共同使用的“大路”。直接和

CPU相連的總線可稱為局部總線。其中包括：數(shù)據(jù)總線DB(DataBus)、地址總線

AB(AddressBus)、把握總線CB(ControlBus)<>其中，數(shù)據(jù)總線用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信

息；地址總線用于傳送CPU發(fā)出的地址信息；把握總線用來(lái)傳送把握信號(hào)、時(shí)序信

號(hào)和狀態(tài)信息等。

CPU的工作流程

由晶體管組成的CPU是作為處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序的核心，其英文全稱

是:Centra」PrecessingUnit,即中心處理器c首先，CPU的內(nèi)部構(gòu)造可以分為

把握單元，規(guī)律運(yùn)算單元和存儲(chǔ)單元(包括內(nèi)部總線及緩沖器)三大局部。CR的

工作原理就像一個(gè)工廠對(duì)產(chǎn)品的加工過(guò)程:進(jìn)入工廠的原料(程序指令)，經(jīng)過(guò)物

資安排部門(把握單元)的調(diào)度安排，被送往生產(chǎn)線(規(guī)律運(yùn)算單元)，生產(chǎn)出成品

(處理后的數(shù)據(jù))后，再存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)(存儲(chǔ)單元)中，最終等著拿到市場(chǎng)上去賣(交

由應(yīng)用程序使用)。在這個(gè)過(guò)程中，我們留意到從把握單元開頭，CPU就開頭了

正式的工作，中間的過(guò)程是通過(guò)規(guī)律運(yùn)算單元來(lái)進(jìn)展運(yùn)算處理，交到存儲(chǔ)單元代

表工作的完畢。

數(shù)據(jù)與指令在CPU中的運(yùn)行

剛剛已經(jīng)為大家介紹了CPU的部件及根本原理狀況，現(xiàn)在，我們來(lái)看看數(shù)據(jù)是怎

樣在CPU中運(yùn)行的。我們知道，數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備流經(jīng)內(nèi)存，等待CPU的處理，這

些將要處理的信息是按字節(jié)存儲(chǔ)的，也就是以8位二進(jìn)制數(shù)或8比特為1個(gè)單元存

儲(chǔ)，這些信息可以是數(shù)據(jù)或指令。數(shù)據(jù)可以是二進(jìn)制表示的字符、數(shù)字或顏色等

等。而指令告知CPU對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行哪些操作，比方完成加法、減法或移位運(yùn)算。

我們假設(shè)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是最簡(jiǎn)潔的原始數(shù)據(jù)。首先，指令指針(Instruction

Pointer)會(huì)通知CPU,將要執(zhí)行的指令放置在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置。由于內(nèi)存中的

每個(gè)存儲(chǔ)單元都有編號(hào)(稱為地址)，可以依據(jù)這些地址把數(shù)據(jù)取出，通過(guò)地址總

線送到把握單元中，指令譯碼器從指令存放器IR中拿來(lái)指令，翻譯成CPU可以

執(zhí)行的形式，然后打算完成該指令需要哪些必要的操作，它將告知算術(shù)規(guī)律單元

(ALU)什么時(shí)候計(jì)算，告知指令讀取器什么時(shí)候獵取數(shù)值，告知指令譯碼器什么

時(shí)候翻譯指令等等。

假設(shè)數(shù)據(jù)被送往算術(shù)規(guī)律單元，數(shù)據(jù)將會(huì)執(zhí)行指令中規(guī)定的算術(shù)運(yùn)算和其他各

種運(yùn)算。當(dāng)數(shù)據(jù)處埋完畢后，將回到存放器中，通過(guò)不同的指令將數(shù)據(jù)連續(xù)運(yùn)行或

者通過(guò)DB總線送到數(shù)據(jù)緩存器中。

根本上，CPU就是這樣去執(zhí)行讀出數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和往內(nèi)存寫數(shù)據(jù)3項(xiàng)根本工作。

但在通常狀況下，一條指令可以包含按明確挨次執(zhí)行的很多操作，CPU的工作就

是執(zhí)行這些指令，完成一條指令后，CPU的把握單元又將告知指令讀取器從內(nèi)存

中讀取下一條指令來(lái)執(zhí)行。這個(gè)過(guò)程不斷快速地重復(fù)，快速地執(zhí)行一條又一條指

令，產(chǎn)生你在顯示器上所看到的結(jié)果。我們很簡(jiǎn)潔想到，在處理這么多指令和數(shù)

據(jù)的同時(shí)，由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)差和CPU處理時(shí)差，確定會(huì)消滅混亂處理的狀況。為了

保證每個(gè)操作準(zhǔn)時(shí)發(fā)生，CPU需要一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘把握著CPU所執(zhí)行的每一個(gè)動(dòng)

作。時(shí)鐘就像一個(gè)節(jié)拍器，它不停地發(fā)出脈沖，打算CPU的步調(diào)和處理時(shí)間，這就

是我們所生疏的CPU的標(biāo)稱速度，也稱為主頻。主頻數(shù)值越高，說(shuō)明CPU的工

作速度越快。

如何提高CPU工作效率

既然CPU的主要工作是執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)，那么工作效率將成為CPU的最主

要內(nèi)容，因此，各CPU廠商也盡力使CPU處理數(shù)據(jù)的速度更快c

依據(jù)CPU的內(nèi)部運(yùn)算構(gòu)造，一些制造廠商在CPU內(nèi)增加了另一個(gè)算術(shù)規(guī)律單元

(ALU),或者是另外再?zèng)]置一個(gè)處理格外大和格外小的數(shù)據(jù)浮點(diǎn)運(yùn)算單元

(FloatingPointUnit,FPU),這樣就大大加快了數(shù)據(jù)運(yùn)算的速度。

而在執(zhí)行效率方面，一些廠商通過(guò)流水線方式或以幾乎并行工作的方式執(zhí)行指

令的方法來(lái)提高指令的執(zhí)行速度。剛剛我們提到，指令的執(zhí)行需要很多獨(dú)立的操

作，諸如取指令和譯碼等。最初CPU在執(zhí)行下一條指令之前必需全部執(zhí)行完上一

條指令，而現(xiàn)在則由分布式的電路各自執(zhí)行操作。也就是說(shuō)，當(dāng)這局部的電路完

成了一件工作后，其次件工作馬上占據(jù)了該電路，這樣就大大增加了執(zhí)行方面的

效率。

另外，為了讓指令與指令之間的連接更加準(zhǔn)確，現(xiàn)在的CPU通常會(huì)承受多種推

想方式來(lái)把握指令更高效率地執(zhí)行。

CPU的工作原理淺析

一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大局部。計(jì)算

機(jī)硬件是指組成一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各種物理裝置，

它們是由各種實(shí)在的器件所組成，是計(jì)算機(jī)進(jìn)展工作的物質(zhì)根底。計(jì)算機(jī)

硬件系統(tǒng)中最重要的組成局部是中心處理器（CPU）0

（一）CPU的根本概念和組成

中心處理器簡(jiǎn)稱CPU（CentralProcessingUnit）,它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核

心，主要包括運(yùn)算器和把握器兩個(gè)部件。假設(shè)把計(jì)算機(jī)比作一個(gè)人，那么CPJ就

是心臟，其重要作用由此可見一斑。CPU的內(nèi)部構(gòu)造可以分為把握單元、規(guī)律單

元和存儲(chǔ)單元三大局部，三個(gè)局部相互協(xié)調(diào)，便可以進(jìn)展分析，推斷、運(yùn)算并

把握計(jì)算機(jī)各局部協(xié)調(diào)工作。

計(jì)算機(jī)發(fā)生的全部動(dòng)作都是受CPU把握的。其中運(yùn)算器主要完成各種算術(shù)

運(yùn)算（如加、減、乘、除）和規(guī)律運(yùn)算（如規(guī)律加、規(guī)律乘和非運(yùn)算）；

而把握器不具有運(yùn)算功能,它只是讀取各種指令,并對(duì)指令進(jìn)展分析，作出

相應(yīng)的把握。通常，在CPU中還有假設(shè)干個(gè)存放器，它們可直接參與運(yùn)算并存放運(yùn)

算的中間結(jié)果。

我們常說(shuō)的CPU都是X86系列及兼容CPU,所謂X86指令集是美國(guó)Intel

公司為其第一塊16位CPU（i8086）特地開發(fā)的，美國(guó)TBM公司1981年推出的

世界第一臺(tái)PC機(jī)中的CPU—i8088（180K6簡(jiǎn)化版）使用的也是X86指令，同時(shí)

電腦中為提高浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理力氣而增加的X87芯片系列數(shù)學(xué)協(xié)處理器則另外使用

X87指令，以后就將X86指令集和X87指令集統(tǒng)稱為X86指令集。雖然隨著CPU技

術(shù)的不斷進(jìn)展，Intel間續(xù)研制出更型的i80386、i80486直到今日的Pentium

山系列，但為了保證電腦能連續(xù)運(yùn)行以往開發(fā)的各類應(yīng)用程序以保護(hù)和繼承豐富的軟

件資源，Intel公司所生產(chǎn)的全部CPU照舊連續(xù)使用X86指令集。

另外除Intel公司之外，AMD和Cyrix等廠家也相繼生產(chǎn)出能使用X86

指令集的CPU,由于這些CPU能運(yùn)行全部的為IntelCPU所開發(fā)的各種軟件，所

以電腦業(yè)內(nèi)人士就將這些CPU列為Intel的CPU兼容產(chǎn)品。由于IntelX86系列

及其兼容CPU都使用X86指令集，就形成了今日浩大的X86系列及兼容CPU陣容。

（二）CPU主要技術(shù)參數(shù)

CPU品質(zhì)的凹凸直接打算了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的檔次，而CPU的主要技術(shù)

特性可以反映出CPU的大致性能。

1、位、字節(jié)和字長(zhǎng)

CPU可以同時(shí)處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)是其最重要的一個(gè)品質(zhì)標(biāo)志。人

們通常所說(shuō)的16位機(jī)、32位機(jī)就是指該微機(jī)中的C

PU可以同時(shí)處理16檢32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。早期有代表性的IBMPC/XT、

IBMPC/AT與

286機(jī)是16位機(jī),386機(jī)和486機(jī)是32位機(jī),586機(jī)則是64位的高檔微機(jī)。

CPU依據(jù)其處理信息的字長(zhǎng)可以分為：八位微處理器、十六位微處理器、

三十二位微處理器以及六十四位微處理器等。

位：在數(shù)字電路和電腦技術(shù)中承受二進(jìn)制，代碼只有“0”和“1”，其

中無(wú)論是“0”或是“1”在CPU中都是一“位”。

字節(jié)和字長(zhǎng)：電腦技術(shù)中對(duì)CPU在單位時(shí)間內(nèi)（同一時(shí)間）能一次處理的

二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)叫字長(zhǎng)。所以能處理字長(zhǎng)為8位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫8位的CPU。

同理32位的CPU就能在單位時(shí)間內(nèi)處理字長(zhǎng)為32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。由于常用的

英文字符用8位二進(jìn)制就可以表示，所以通常就將8位稱為一個(gè)字節(jié)。字節(jié)的長(zhǎng)

度是不固定的，對(duì)于不同的CPU、字長(zhǎng)的長(zhǎng)度也不一樣。8位的CPU一次只能處

理一個(gè)宇節(jié)，而32位的CPU一次就能處理4個(gè)宇節(jié)，同理字長(zhǎng)為64位的

CPU一次可以處理8個(gè)字節(jié)。

2、CPU外頻

CPU外頻也就是常見特性表中所列的CPU總線頻率，是由主板為CPU供

給的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，而CPU的工作主頻則按倍頻系數(shù)乘以外頻而來(lái)。在Pentium

時(shí)代，

CPU的外頻一般是60/66MHz,從PentiumII

350開頭，CPU外頻提高到100MHzo由于正常狀況下CPU總線頻率和內(nèi)存

總線頻率一樣，所以當(dāng)CPU外頻提高后，與內(nèi)存之間的交換速度也相應(yīng)得到了提

高，對(duì)提高電腦整體運(yùn)行速度影響較大。

3、前端總線:FSB）頻率

前端總線也就是以前所說(shuō)的CPU總線，由于在目前的各種主板上前端總

線頻率與內(nèi)存總線頻率一樣，所以也是CPU與內(nèi)存以及L2

Cache（僅指Socket

7主板)之間交換數(shù)據(jù)的工作時(shí)鐘。由于數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決所同時(shí)傳

輸?shù)臄?shù)據(jù)位寬度和傳輸頻率，即數(shù)據(jù)帶寬二［總線頻率(數(shù)據(jù)寬度)/8。例如Intel

公司的PI1

333使用66MHz的前端總線，所以它與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換帶寬為

528MB/S=(66X64)/8,而其PH

350則使用100MHz的前端總線，所以其數(shù)據(jù)交換峰值帶寬為800MB/s=

(100X64)/8o由此可見前端總線速率將影響電腦運(yùn)行時(shí)CPU與內(nèi)存、(L2

Cache)之間的數(shù)據(jù)交換速度，實(shí)際也就影響了電腦的整體運(yùn)行速度。因

此目前Intel正開頭將其P

IH的前端總線頻率從100MHz向133MHz過(guò)渡。AMD公司推出的K7雖然使

用200MHz的前端總線頻率，但有資料說(shuō)明K7

CPU內(nèi)核與內(nèi)存之間數(shù)據(jù)交換時(shí)鐘照舊是100MHz,主頻也是以100MHz

為基頻倍頻的。

4、CPU主頻

CPU主頻也叫工作頻率，是CPU內(nèi)核(整數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算器)電路的實(shí)際運(yùn)

行頻率。在486DX2

CPU之前。CPU的主頻與外頻相等。從486DX2開頭，根本上全部的CPU

主頻都等于“外頻乘上倍頻系數(shù)”了.CPU的主要技術(shù)特征

o主頻是CPU內(nèi)核運(yùn)行時(shí)的時(shí)鐘頻率，主頻的凹凸直接影響CPU的運(yùn)算速

度。

我們知道僅Pentium就可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行兩條運(yùn)算指令，假設(shè)

主頻為100MHz的Penti

um可以在1秒鐘內(nèi)執(zhí)行2億條指令，那么主頻為200MHz的Pentium每秒

鐘就能執(zhí)行4億條指令，因此CPU主頻越高，電腦運(yùn)行速度就越快。

需要說(shuō)明的是Cyrix的CPU對(duì)主頻這項(xiàng)指標(biāo)是承受PR性能等級(jí)參數(shù)

(PerformanceRat

ing)來(lái)標(biāo)稱的，表示此時(shí)CPU性能相當(dāng)于Intel某主頻CPU的性能。用

PR參數(shù)標(biāo)稱的CPU實(shí)際運(yùn)行時(shí)鐘頻率與標(biāo)稱主頻并不全都。例如MH-300的實(shí)

際運(yùn)行頻率為233MHz(66X3.5),但PR參數(shù)主頻標(biāo)為300MH

Z,意思就是Mil300相當(dāng)于Intel的PII3000不過(guò)事實(shí)上也僅是MH300

的BusinessWin

ston指標(biāo)（整數(shù)性能）能與PII-300相當(dāng)而已。

5、L1和L2Cache的容量和速率

L1和L2Cache的容量和工作速率對(duì)提高電腦速度起關(guān)鍵作用，尤其是

L2Cache對(duì)提高運(yùn)行2D圖形處理較多的商業(yè)軟件速度有顯著作用。

設(shè)置L2Cache是486時(shí)代開頭的，目的是彌補(bǔ)LICache（一級(jí)高速緩

存）容量的缺乏，以最大程度地減小主內(nèi)存對(duì)CPU運(yùn)行造成的延緩。

CPU的L2Cache分芯片內(nèi)部和外部?jī)煞N。設(shè)在CPU芯片內(nèi)的L2Cache

運(yùn)行速度與主頻一樣，而承受PII方式安裝在CPU芯片外部的L2

Cache運(yùn)行頻率一般為主頻的二分之一，因此其效率要比芯片內(nèi)的L2

Cache要低，這就是賽揚(yáng)只有128KB片內(nèi)Cache但性能卻幾乎超過(guò)同主頻P

II（有512KB但工作時(shí)鐘為主頻一半的片外L2Cache）的重要緣由。

（三）CPU主要技術(shù)術(shù)語(yǔ)淺析

1、流水線技術(shù)

流水線（pipeline）是

Intel首次在486芯片中開頭使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的

裝配流水線。在CPU中由夕6個(gè)不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然

后將一條X86指令分成5~6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)

CPU時(shí)鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運(yùn)算速度。由于486CP

U只有一條流水線，通過(guò)流水線中取指令、譯碼、產(chǎn)生地址、執(zhí)行指令和數(shù)

據(jù)寫回五個(gè)電路單元分別同時(shí)執(zhí)行那些已經(jīng)分成五步的指令，因此實(shí)現(xiàn)了486CPU

設(shè)計(jì)人員預(yù)期的在每個(gè)時(shí)鐘周期中完成一條指令的目的（按筆者看法，CPU實(shí)際

上應(yīng)當(dāng)是從第五個(gè)時(shí)鐘周期才到達(dá)每周期能完成一條指令的處理速度）。到了

Pentium時(shí)代、設(shè)計(jì)人員在CPU中設(shè)置了兩條具有各自獨(dú)立電路單元的流水線，因

此這樣CPU在工作時(shí)就可以通過(guò)這兩條流水線來(lái)同時(shí)執(zhí)行兩條指令，因此在理論上

可以實(shí)現(xiàn)在每一個(gè)時(shí)鐘周期中完成兩條指令的目的。

2、超流水線和超標(biāo)量技術(shù)

超流水線是指某些CPU內(nèi)部的流水線超過(guò)通常的5?6步以上，例如

Pentiumpro的流水線就長(zhǎng)達(dá)14

步。將流水線設(shè)計(jì)的步(級(jí))數(shù)越多，其完成一條指令的速度越快，因此才

能適應(yīng)工作主頻更高的CPU。超標(biāo)量(superscalar)是指在

CPU中有一條以上的流水線，并且每時(shí)鐘周期內(nèi)可以完成一條以上的指令，

這種設(shè)計(jì)就叫超標(biāo)量技術(shù)。

3、亂序執(zhí)行技術(shù)

亂序執(zhí)行(out-of-orderexecution)是指CPU承受了允許將多條指令不

按程序規(guī)定的挨次分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。比方說(shuō)程序某一段有

7條指令，此時(shí)CPU將依據(jù)各單元電路的空鬧狀態(tài)和各指令能否提前執(zhí)行的具體

狀況分析后，將能提前執(zhí)行的指令馬上發(fā)送給相應(yīng)電路執(zhí)行。固然在各單元不按

規(guī)定挨次執(zhí)行完指令后還必需由相應(yīng)電路再將運(yùn)算結(jié)果重按原來(lái)程序指定的指

令挨次排列后才能返回程序。這種將各條指令不按挨次拆散后執(zhí)行的運(yùn)行方式就

叫亂序執(zhí)行(也有叫錯(cuò)序執(zhí)行)技術(shù)。承受亂序執(zhí)行技術(shù)的目的是為了使CPU內(nèi)

部電路滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)并相應(yīng)提高了CP

U的運(yùn)行程序的速度。

4、分技預(yù)溯和推想執(zhí)行技術(shù)

分枝推想(branchprediction)和推想執(zhí)行(speculationexecution)

是CPU動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)中的主要內(nèi)容，動(dòng)態(tài)執(zhí)行是目前CPU主要承受的無(wú)講

技術(shù)之一。承受分枝推想和動(dòng)態(tài)執(zhí)行的主要目的是為了提高CPU的運(yùn)算速度。推

想執(zhí)行是依托于分枝推想根底上的，在分枝推想程序是否分枝后所進(jìn)展的處理也

就是推想執(zhí)行。

5、指令特別才展技術(shù)

自最簡(jiǎn)沽的計(jì)算機(jī)開頭，指令序列便能取得運(yùn)算對(duì)象，并對(duì)它們執(zhí)行計(jì)

算。對(duì)大多數(shù)計(jì)算機(jī)而言，這些指令同時(shí)只能執(zhí)行一次計(jì)算。如需完成一些并行

操作，就要連續(xù)執(zhí)行屢次計(jì)算。此類計(jì)算機(jī)承受的是“單指令單數(shù)據(jù)”(SISD)

處理器。在介紹CPU性能中還常常提到“擴(kuò)展指令”或“特別擴(kuò)展”一說(shuō)，這都是

指該CPU是否具有對(duì)X86指令集進(jìn)展指令擴(kuò)展而言。擴(kuò)展指令中最早消滅的是:ntel

公司自己的“MMX”，其次是AMD公司的“3D

Now!”,最終是最近的PentiumIII中的“SSE”。

MMX和SSE：MMX是英語(yǔ)“多媒體指令集”的縮寫。共有57條指令，是

Intel公司第一次對(duì)自1985年就定型的

X86指令集進(jìn)展的擴(kuò)展。MMX主要用于增加CPU對(duì)多媒體信息的處理，提

高CPU處理3D圖形、視頻和音頻信息力氣。但由于只對(duì)整數(shù)運(yùn)算進(jìn)展了優(yōu)化而沒

有加強(qiáng)浮點(diǎn)方面的運(yùn)算力氣。所以在3D圖形日趨廣泛，因特網(wǎng)3D網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用日趨

增多的狀況下，MMX已心有余而力缺乏了。MMX指令可對(duì)整數(shù)執(zhí)行STMD運(yùn)算，比

方-40、0、1、469

或32766等等；SSE指令則增加了對(duì)浮點(diǎn)數(shù)的S1MD運(yùn)算力氣，比方

-40.2337,1.4355或87734

3226.012等等。利用MMX和SSE,一條指令可對(duì)2個(gè)以上的數(shù)據(jù)流執(zhí)行計(jì)

算。就前面的例子來(lái)說(shuō)，再也不必每秒執(zhí)行529000條指令了，只需執(zhí)行264600

條即可。由于同樣的指令可同時(shí)對(duì)左、右聲道發(fā)生作用。顯示時(shí)，每秒也不需要

70778880條指令，只需23592960條，由于紅、綠、藍(lán)通道均可用一樣的指令把

握。

SSE：SSE是英語(yǔ)“因特網(wǎng)數(shù)據(jù)流單指令序列擴(kuò)展/IntcmetStreaming

SIMDExt

ensions”的縮寫。它是Intel公司首次應(yīng)用于PentiumIII中的。實(shí)際

就是原來(lái)傳聞的MMX2以后來(lái)又叫KNKKatmai

NowInstruct,ion）,Katmai實(shí)際上也就是現(xiàn)在的PentiumT1I?SSE共有

70條指令，不但涵括了原MMX和3D

Now!指令集中的全部功能，而且特別加強(qiáng)了SIMD浮點(diǎn)處理力氣，另外還

特地針對(duì)目前因特網(wǎng)的日益進(jìn)展，加強(qiáng)了CPU處理3D網(wǎng)頁(yè)和其它音、象信息技

術(shù)處理的力氣。CPU具有特別擴(kuò)展指令集后還必需在應(yīng)用程序的相應(yīng)支持下才能

發(fā)揮作用，因此，當(dāng)目前最先進(jìn)的Penthm

III450和PentiumII450運(yùn)行同樣沒有擴(kuò)展指令支持的應(yīng)用程序時(shí),

它們之間的速度區(qū)分并不大。

SSE除保持原有的MMX指令外，又增了70條指令，在加快浮點(diǎn)運(yùn)算的

同時(shí)，也改善了內(nèi)存的使用效率，使內(nèi)存速度顯得更快一些。對(duì)玩耍性能的改善

格外顯著，按Intel的說(shuō)法，SSE對(duì)下述幾個(gè)領(lǐng)域的影響特別明顯：3D幾何運(yùn)算

及動(dòng)畫處理；圖形處理（如Photoshop）；視頻編輯/壓縮/解壓（如MPEG和

DVD）；語(yǔ)音識(shí)別；以及聲音壓縮和合成等。

3D

NOW!：AMD公司開發(fā)的多媒體擴(kuò)展指令集，共有27條指令，針對(duì)MMX指

令集沒有加強(qiáng)浮點(diǎn)處理力氣的弱點(diǎn)，重點(diǎn)提高了AMD公司K6系列CPU對(duì)3D國(guó)形

的處理力氣，但由于指令有限，該指令集主要應(yīng)用于3D玩耍，而對(duì)其他商業(yè)圖

形應(yīng)用處理支持缺乏。

（四）CPU的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品構(gòu)架

1、CPU的生產(chǎn)工藝

說(shuō)明CPU性能的參數(shù)中常有“工藝技術(shù)”一項(xiàng)，其中有“0.35um”或

“0.25UU1”等。一般來(lái)說(shuō)“工藝技術(shù)”中的數(shù)據(jù)越小說(shuō)明CPU生產(chǎn)技術(shù)越先進(jìn)。

目前生產(chǎn)CPU主要承受CMOS技術(shù)。CMOS是英語(yǔ)“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”的縮寫。

承受這種技術(shù)生產(chǎn)CPU時(shí)過(guò)程中承受“光刀”加工各種電路和元器件，并承受金屬

鋁沉淀在硅材料上后用

“光刀”刻成導(dǎo)線聯(lián)接各元器件?，F(xiàn)在光刻的精度一般用微米（um）表示，

精度越高表示生產(chǎn)工藝越先進(jìn)。由于精度越高則可以在同樣體積上的硅材料上生產(chǎn)

出更多的元件，所加工出的聯(lián)接線也越細(xì)，這樣生產(chǎn)出的CPU工作主頻可以做得很

高。正由于如此，在只能使用0.65

um工藝時(shí)生產(chǎn)的第一代Pentium

CPU的工作主頻只有60/66MHz,在隨后生產(chǎn)工藝漸漸進(jìn)展到0.35um、

0.25um時(shí)、所以也相應(yīng)生產(chǎn)出了工作主額高達(dá)265MHz的Pentium

MMX和主頻高達(dá)500MHz的Pentium11CPU。由于目前科學(xué)技術(shù)的限制，

現(xiàn)在的CPU生產(chǎn)工藝只能到達(dá)0.25u

m,因此Intel、AMD、

Cyrix以及其它公司正在向0.18um和銅導(dǎo)線（用金屬銅沉淀在硅材料上代

替原來(lái)的鋁）技術(shù)努力，估量只要生產(chǎn)工藝到達(dá)0.18um后生產(chǎn)出主頻為1000MHz

的CPU就會(huì)是很尋常的事了。

AMD為了跟Intel連續(xù)爭(zhēng)奪下個(gè)世紀(jì)的微處理器進(jìn)展權(quán)，己經(jīng)跟摩托羅

拉（Motorola）達(dá)成一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)七年的技術(shù)合作協(xié)議。Motorola將把最開發(fā)的銅導(dǎo)

線工藝技術(shù)（Copper

Interconnect）

授權(quán)給AMDoAMD預(yù)備在2023年之內(nèi)，制造高達(dá)1000MHz（1GHz）的K7微

處理器。CPU將向速度更快、64位構(gòu)造方向前進(jìn)。CPU的制作工藝將更加精細(xì)，

將會(huì)由現(xiàn)在0.25微米向0.18微米過(guò)渡，到2023年中大局部CPU廠商都將承受

0.18微米工藝，2023年之后，很多廠商都將轉(zhuǎn)向0.13微米的銅制造工藝，制造

工藝的提高，味著體積更小，集成度更高，耗電更少。銅技術(shù)的優(yōu)勢(shì)格外明顯。

主要表現(xiàn)在以下方面：銅的導(dǎo)電性能優(yōu)于現(xiàn)在普遍應(yīng)用的鋁，而且銅的電阻小，

發(fā)熱量小，從而

可以保證處理器在更大范圍內(nèi)的牢靠性；承受0.13微米以下及銅工藝芯

片制造技術(shù)將有效的提高芯片的工作頻率；能減小現(xiàn)有管芯的

體積。與傳統(tǒng)的鋁工藝技術(shù)相比，銅工藝制造芯片技術(shù)將有效地提高芯片

的速度，減小芯片的面積，從進(jìn)展來(lái)看銅工藝將最終取代鋁工藝。

各廠家所生產(chǎn)的每一種CPU都知名稱（商標(biāo)名）、代號(hào)（研制代號(hào)）

和標(biāo)志（專用圖案）。其中Tn

tel公司的早期產(chǎn)品以i80x86命名,即以前的286、386、486等，到Intel

開發(fā)出第5代產(chǎn)品586時(shí)由于商標(biāo)注冊(cè)上的麻煩改為Pentium并同時(shí)為其注冊(cè)中

文商標(biāo)名“奔騰”，由此也就有了后來(lái)的Pentium

Pro（高能奔騰）、PentiumII（奔騰2代）、Pentium

HI（奔騰3代）以及Celeron（賽揚(yáng)），目前名稱并不能反映出同類型中

CPU的規(guī)格，這點(diǎn)將從Intel正式推出前端總線為133MHz的PIH后開頭改進(jìn)，以

后只要觀看CPU的名稱就可以了解這塊CPU的大致技術(shù)特性。

另外廠家對(duì)每一種CPU包括同名但技術(shù)規(guī)格不同的產(chǎn)品都另有一個(gè)研

制代號(hào)，例如Intel公司使用0.3

5和0.25工藝生產(chǎn)的PII就各有一個(gè)代號(hào)分別為:Klamath和Destrutcs。

同時(shí)Itel每一種名稱的C

PU都有還一個(gè)專用商標(biāo)圖案作為標(biāo)志。AMD和Cyrix公司的狀況與Intel

相近，它們的每一種CPU也都有一個(gè)名稱、代號(hào)和標(biāo)志，但都還沒有正式的中文

名稱。

2、CPU的內(nèi)部構(gòu)造

當(dāng)前我們使用的CPU內(nèi)部構(gòu)造實(shí)際可分為單總線和雙總線兩種構(gòu)造，由于

CPU內(nèi)部構(gòu)造特征打算CPU的封裝形式和安裝標(biāo)準(zhǔn)，所以在此作些簡(jiǎn)潔的介紹。

在Intel公司研制出PentiumPro之前,

各種486以上CPU,如經(jīng)典Pentium內(nèi)部由主處埋器、數(shù)學(xué)協(xié)處埋器、把

握器、各種存放器和L1

Cache組成。至今為止照舊有大量的CPU連續(xù)以這種內(nèi)部構(gòu)造模式進(jìn)展生

產(chǎn)，例如AMD的K6-2、Cyrix的MH以及IDT-C6等CPU。從P6（Pen-tium

Pro的研制代號(hào)）起，Intel為進(jìn)一步提高CPU與L2Cache間的數(shù)據(jù)交

換速度，將原來(lái)設(shè)置在電腦主板上的高速緩存把握電路和L2

Cache（二級(jí)高速緩存）承受在同一塊硅材料上制作的方法集成到CFU芯

片上，這樣CPU內(nèi)核與高速緩存之間的數(shù)據(jù)交換就無(wú)需經(jīng)過(guò)外部總線而直接通過(guò)

CPU內(nèi)部的緩存總線進(jìn)展，由于CPU內(nèi)核與內(nèi)存和CPU與高速緩存之間的數(shù)據(jù)交

換通道分別而形成首創(chuàng)的P6雙總線架構(gòu)模式（見圖1）o從Pentium

Pro的實(shí)際應(yīng)用效果看這一技術(shù)措施格外成功，是CPU研制技術(shù)上的一次

重大改進(jìn)。由于P6雙總線構(gòu)造的優(yōu)越性，因此但凡內(nèi)部具有L2Cache

和高速緩存把握器的CPU都由傳統(tǒng)的單總線模式過(guò)渡到雙總線模式，例如

Intel公司的PII、賽揚(yáng)和PIII;AMD公司的K6Tli和K7等。

3、CPU的構(gòu)架和封裝方式

CPU架構(gòu)是按CPU的安裝插座類型和規(guī)格確定的。目前常用的CPU按其

安裝插座標(biāo)準(zhǔn)可分為Socketx和Slotx兩大架構(gòu)。

其中Socketx架構(gòu)CPU中又分Socket7和Socket370兩種，分別使

用321針的Socket

7和370針的Socket370插座進(jìn)展安裝。Socket7和Socket370插座在

外形上格外相像尺寸也一樣，但Socket

370插座上比Socket7多了一圈針插孔。在Slotx架構(gòu)CPU中可分為Slot

1、Slot2和Slot

A二種，分別使用對(duì)應(yīng)規(guī)格的Slot槽進(jìn)展安裝。其中Slot1和SlotA

都是242線插槽，但在機(jī)械和電氣標(biāo)準(zhǔn)上都不一樣，所以互不兼容。Slot

2是尺寸較大的插槽,特地用于安裝PII和PIII序列中的Xeon。Xeon是

一種專用于工作組效勞器上的CPU。

封裝是CPU生產(chǎn)過(guò)程中的最終一道工序，封裝是承受特定的材料將CPU

芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護(hù)措施，一般必需在封裝后CPU才能交

付用戶使用。

CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設(shè)計(jì)，通常承受Socket

插座進(jìn)展安裝的CPU只能使用PGA（柵格陣列）方式封裝，而承受Slot

x槽安裝的CPU則全部承受SEC（單邊接插盒）的形式封裝。

目前承受PGA封裝的CPU主要有Intel公司的賽揚(yáng)，AMD的K6-2、K6-HI

和Cyrix公司的MII,以前賽揚(yáng)曾承受SEC封裝，現(xiàn)已漸漸全部改用PGA封裝（見

圖4）。承受SEC封裝的CPU有Intel的PH、PHI和AM

D公司的K7o其中Intel的Slot架構(gòu)CPU實(shí)際上分別使用SEPP、SECC

和SECC2三種單邊接插盒進(jìn)展封裝。

以上CPU中雖然賽揚(yáng)和K6TH內(nèi)局部別集成了128KB和256KB的L2

Cache和高速緩存把握器，但由干它們是承受在同一片硅材料上一次制造

出CPU內(nèi)核和L2

Cache.高速緩存把握器的方法制造，所以它們的體積較小并能承受PGA

方式進(jìn)展封裝。不過(guò)賽揚(yáng)承受PGA封裝的主要緣由是降低生產(chǎn)本錢，而K6TII承

受PGA封裝的主要緣由則是由于Intel對(duì)其開發(fā)的Slot

1、Slot2和Socket370插座進(jìn)展專利保護(hù)，所以AMD只能沿用Socket

7架構(gòu)和承受PGA封裝方式生產(chǎn)K6-IIIo

目前Slot架構(gòu)的CPU有兩種制造方法，一是將分別制造的CPU內(nèi)核芯

片、高速Cache把握器芯片和L2

Cache芯片安裝在一塊PCB（電路板）上，然后再安裝上單邊接插盒和風(fēng)

扇以完成CPU的最終制作。承受這類構(gòu)造和方法制作的CPU有Intel的PH、PIH

和AMD的K7。二是將完整的CPU（內(nèi)含CPU內(nèi)核、高速Cach

e把握器芯片和L2Cache芯片）芯片安裝匕電路板上，此時(shí)電路板純粹只起

Slot接口的安裝作用。最終同樣再安裝單邊接插盒和風(fēng)扇也就形成完整的CPU。承受

這種構(gòu)造和方法制作的CPU只有Intel公司的局部賽揚(yáng)。

Slot與Socket：CPU插槽簡(jiǎn)介

Slotl是IntelPII等CPU同主板的接口方式，承受的是SEC（單邊接觸

插槽）接口。

Slot2是近期才消滅的專用于PH效勞器的一種CPU同主板的接口.

Socket7是目前Pentium、PentuimMMX、AMDK6、Cyrix

6x86以及IDT的WinChip等處理器廣泛使用的接口方式。

Super7是AMD公司提出的一種的CPU接口，支持100MHz的總線頻率和

AGP技術(shù)，并與Socket7完全兼容。主要用于協(xié)作AMD的K6-2及最推出