中央處理器CPU電腦內(nèi)部是怎麼運作的

1、中央處理器中央處理器 (cpu)電腦內(nèi)部是怎麼運作的第四章第四章n講解中央處理器的各個組成元件，說明他們彼此間如何運作以及與記憶體的溝通n描述電腦如何執(zhí)行程式指令n解釋電腦如何表示資料n描述電腦如何找到指令和資料n講解微電腦系統(tǒng)單元上的主機(jī)板的各個元件n明瞭電腦處理速度的計量方式以及增加速度的方法n將資料轉(zhuǎn)換成資訊n控制中心n執(zhí)行儲存在記憶體中程式指令的一組電路n分成兩個主要部分 控制單元 (cu) 算術(shù)邏輯單元 (alu) n硬體的一部分，負(fù)責(zé)控制n指示電腦系統(tǒng)執(zhí)行程式指令n負(fù)責(zé)與硬體其它部分的溝通負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運算動作負(fù)責(zé)執(zhí)行邏輯運算動作加法減法乘法除法n評估條件值n進(jìn)行比較n可以比較 數(shù)字

2、 字母 特別字元暫存器各有特殊的用途速度快是個暫時存放的地方 位於 cpu 中指令暫存器儲存目前正在執(zhí)行的指令資料暫存器儲存正等著被處理的資料儲存處理過後的結(jié)果儲存體類型n輔助儲存體 儲存以後要用到的資料 長期儲存n記憶體 儲存最近要使用的資料 暫時儲存 存取速度比輔助儲存體快n暫存器 儲存與目前正在執(zhí)行的指令立即相關(guān)的資料 存取速度記憶體快儲存體容量的測量單位kb kilobyte 1024 個位元組 有些磁片 快取記憶體mb megabyte 約百萬個位元組 ramgb gigabyte 約十億個位元組 硬碟 cd 和 dvdtb terabytes 約一兆個位元組 大型硬碟記憶體主要儲存

3、體 (primary storage)primary memorymain storageinternal storage主記憶體 (main memory)記憶體的主要類型ram隨機(jī)存取記憶體(random access memory)rom唯讀記憶體(read only memory)ramn需要電流才能保持資料n揮發(fā)性 (volatile)n可以讀取及修改裡面的指令和資料n使用者通常是指這種記憶體ramn作業(yè)系統(tǒng)n目前正在執(zhí)行中的程式n上述程式需要的資料n等著要輸出的中間結(jié)果romn非揮發(fā)性 (non-volatile)n負(fù)責(zé)開機(jī)的指令n裡面的指令和資料可以讀取，但不能修改n這些指令通常

4、是在工廠裡燒錄進(jìn)去的ncu 擷取指令放進(jìn)記憶體中ncu 將此指令解碼 ncu 通知硬體相關(guān)部分準(zhǔn)備採取行動n將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到硬體的相關(guān)部分n執(zhí)行工作n控制權(quán)回到 cui-timencu 從記憶體中擷取 (fetch)指令，然後放進(jìn)暫存器中ncu 將此指令解碼 (decode)，並決定所需要的資料在記憶體中的位置e-timen執(zhí)行 cu 將資料從記憶體搬移到 alu 內(nèi)的暫存器中 由 alu 負(fù)責(zé)控制與執(zhí)行指令 控制權(quán)回到 cuncu 將運算後的結(jié)果存放在記憶體或暫存器中n系統(tǒng)時鐘以固定的速率製造脈波n每個脈波就是一個機(jī)器循環(huán)週期n一個程式指令可能是由一串給 cpu 的小指令所組成n每一個 cpu

5、 指令至少必須要花一個脈波才能完成n每一種類型的 cpu 都有一組指令集 也就是它能了解與處理的指令n記憶體中的每個位置都會被標(biāo)示一個獨一無二的位址 (address) 位址不會改變 內(nèi)容可能會改變n每個記憶體位置可以保存一條指令或一個資料n程式設(shè)計師會使用符號位址使用二進(jìn)位系統(tǒng)來表示電路的狀態(tài)n位元 (bit) binary digit 電路開或關(guān) (on/off) 1 或 0n位元組 (byte) 8 個 bit 每一個位元組可儲存一個字元n字組 (word) 暫存器的大小 cpu在處理時當(dāng)做一個單位的位元個數(shù)nascii 使用一個包含8個位元的位元組 28 = 256 種可能的組合或字元

6、 用在幾乎所有的 pc 和許多較大型的電腦nebcdic 使用一個包含8個位元的位元組 28 =256種可能的組合或字元 主要用在 ibm 相容的大型主機(jī)nunicode 使用兩個包含8個位元的位元組 (16 個位元) 216 = 65,536 種可能的組合或字元 可支援世界上所有語言所需要的字 與 ascii 回溯相容n放置電腦元件 主機(jī)板 儲存設(shè)備 連線n有些apple macintosh電腦則是把系統(tǒng)單元放在螢?zāi)煌鈿ぱe主機(jī)板包含n微處理器晶片n記憶體晶片n與其它硬體部分的連線n其它可能加入的晶片 如數(shù)學(xué)輔助處理器儲存設(shè)備儲存設(shè)備硬碟機(jī)軟碟機(jī)cd-rom 光碟機(jī)dvd-rom光碟機(jī)ncpu

7、 是蝕刻在一個晶片上n晶片大小是 x 吋n由矽元素組成n包含數(shù)百萬個電晶體 它是可控制電流通過的電子閘門n控制單元 cun算術(shù)邏輯單元 alun暫存器n系統(tǒng)時鐘n將整個電腦的電路放進(jìn)一片微晶片中 更便宜 更快n執(zhí)行先前由其他硬體所負(fù)責(zé)的功能 數(shù)學(xué)輔助處理器現(xiàn)在是微處理器的一部分 多媒體指令現(xiàn)在也成了微處理器的一部分n電腦跑得更快n造價更便宜n更穩(wěn)定合併到微處理器上的功能越多合併到微處理器上的功能越多：npentiumnceleron nxeon 和 intel 相容相容ncyrixnamdnpowerpc 由 apple、ibm 和 motorola 所合作設(shè)計 主要是用在apple maci

8、ntosh個人電腦家族上 它也可以用在伺服器與內(nèi)嵌式系統(tǒng)中nalpha 由compaq (康柏) 所製造 用在高階伺服器與工作站上n可靠度高n體積小n低價位n低功率n可大量製造符合經(jīng)濟(jì)效益n揮發(fā)性nmonolithicn互補(bǔ)金氧半導(dǎo)體 (complementary metal oxide semiconductor)n只耗用一點點電力n用在 pc 上儲存電腦在開機(jī)過程所需要的硬體設(shè)定資訊n藉由電池的電力使它在電腦關(guān)機(jī)後仍然保存著資料n保存目前執(zhí)行中程式的指令與資料n在記憶體裡的資料可以被隨機(jī)存取n存取方便且快速n揮發(fā)性n電源關(guān)閉後 ram 上的資料就會消失nram 上的資料可以被修改sramn

9、只要有電力，儲存內(nèi)容就會依舊存在n速度比 dram 快dramn必須持續(xù)充電n因為它的體積與價格的優(yōu)勢，大多數(shù)的 pc 記憶體都使用它nsdram 比較快的一種 dramnrambus dram 速度比 sdram 快 價格較貴n購買封裝在電路板上的記憶體模組nsimm 晶片是安裝在電路板的一邊ndimm 晶片是安裝在電路板的兩邊n你能安裝的ram數(shù)量最多是多少，取決於主機(jī)板的設(shè)計n在工廠製造時便燒錄了永久的程式和資料n可以被讀取n可以被使用n使用者不能修改n儲存電腦開機(jī)時所需要啟動的開機(jī)程序n非揮發(fā)性n可程式化 (programmable) romnrom 燒錄器 (rom burner)

10、可以修改某些特殊 rom 晶片上的指令n一組傳送電子訊號的電路n系統(tǒng)匯流排 負(fù)責(zé)在 cpu 與記憶體之間傳送資料n匯流排寬度 電腦一次可以傳輸?shù)馁Y料位元數(shù) 通常會和 cpu 的字組 (word) 大小一致n速度是用 megahertz (mhz) 來衡量匯流排寬度越大=電腦的運算能力越強(qiáng)cpu 一次可以傳輸更多的資料=電腦速度變快cpu 能參考到更大的記憶體位址=有更多的記憶體n連接到擴(kuò)充槽n將擴(kuò)充電路板插入擴(kuò)充槽裡 介面卡 (interface card) adapter cardn提供外部的連接端 / 連接埠 序列埠 平行埠isa用在慢速的裝置如滑鼠和數(shù)據(jù)機(jī)上pci適用於連接高速的裝置如硬

11、碟和網(wǎng)路卡上agp連接記憶體與圖形卡以提供更快速的視訊效能usb支援 “daisy-chaining” 功能，省去需要多張擴(kuò)充卡的麻煩；可以“熱切換” (hot-swappable)ieee 1394 (firewire)一種高速的匯流排，通常是用在連接視訊設(shè)備到你的電腦上pc card信用卡般大小的 pc card 裝置，通常是用在筆記型電腦上是什麼因素讓某臺電腦比其他電腦更快呢？n微處理器的速度n匯流排的大小n有沒有快取 (cache)n快閃記憶體nrisc 電腦n平行處理完成指令執(zhí)行所需要的時間完成指令執(zhí)行所需要的時間千分之一秒 (millisecond)n百萬分之一秒 (microse

12、cond)n十億分之一秒 (nanosecond) 目前新型的電腦n兆分之一秒 (picosecond) 未來的電腦n時鐘速度 百萬赫茲 (megahertz，mhz) 十億赫茲 (gigahertz，ghz) n每秒完成的指令個數(shù) 每秒一百萬個指令 (mips)n電腦處理複雜數(shù)學(xué)計算的能力 每秒一百萬個浮點運算 (megaflop)n它是一塊小但非?？焖俚臅捍嬗洃涹wn目的為了加速內(nèi)部資料和軟體指令的傳輸n存放著最近用過或最常被使用到的資料和指令第第 1 步步處理器要求擷取資料或指令第第 2 步步到主記憶體中的該位址去讀取第第 3 步步傳送到 cpu 和快取中下一次微處理器需要資料或指令時 先到記憶體快取中尋找 找不到再到記憶體中尋找 處處理理器器ram快取快取n內(nèi)部快取 第一級 (l1) 內(nèi)建在微處理器中 最多到 128kbn外部快取 第二級 (l2) 在單獨晶片上 256kb 或 512 kb sram 技術(shù) 它比l1快取便宜但是較慢 比記憶體快但是較貴n非揮發(fā)性 ramn使用在 行動電話 數(shù)位相機(jī) 數(shù)位錄音器 pdancisc 技術(shù) 複雜指令集計算模式 一般傳統(tǒng)電腦 其中許多指令很少用到nrisc 技術(shù) 精簡指令集計