计算机中央处理器详解

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模集成电路，是计算机的运算和控制中心。中央处理器主要包括运算器、控制器、高速缓冲存储器（Cache），以及实现它们之间联系的总线。

1.CPU的组成

1）算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU）

运算器的全称为算术逻辑单元，是计算机完成算术运算和逻辑运算的部件。其中，算术运算包括加、减、乘、除等运算；逻辑运算包括与、或、非、异或等运算。

2）控制器（Control Unit）

控制器主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。

控制器由指令寄存器（Instruction Register，IR）、指令译码器（Instruction Decoder，ID）、程序计数器（Program Counter，PC）和操作控制器（Operation Controller，OC）四个部件组成。IR用以保存当前执行或即将执行的指令代码；ID用来解析和识别IR中所存放指令的性质和操作方法；OC则根据ID的译码结果，产生该指令执行过程中所需的全部控制信号和时序信号；PC总是保存下一条要执行的指令地址，从而使程序可以自动、持续地运行。

3）寄存器（Register）

寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。　通用寄存器用来保存指令执行过程中存放的操作数和操作结果；专用寄存器主要用来保存堆栈及指令状态；控制寄存器主要用来保存指令执行后的相关状态，如进位、借位、溢出等。寄存器是中央处理器的重要部件之一。

4）高速缓冲存储器（Cache）

高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片（SRAM）组成，容量比较小，但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。

注意，尽管高速缓冲存储器位于CPU芯片内，但它逻辑上是一种存储器。

2.CPU的指令系统

机器指令是指按照一定格式构成的二进制代码串，是指示计算机执行某种操作的命令。一台机器所有机器指令的集合称为这台机器的指令系统。

机器指令一般由操作码和操作数两部分组成。其中，操作码指示指令所执行操作的性质和功能，如数据传送、加法操作等；操作数是指指令执行的操作对象，操作数的形式可以是数据，也可以是存放数据的寄存器或内存地址。机器指令中，操作码是必需的，但操作数不是必需的，有些指令不需要操作数。操作数的个数和意义也因不同CPU而不同，例如，80x86系列CPU的指令采用双操作数，其格式为“操作码目的操作数源操作数”。

计算机的工作过程就是按照控制器的控制信号自动、有序地执行指令。所有程序都是由一条条指令序列组成的。每条机器指令的执行需要获得指令、分析指令、执行指令，其过程如下：

（1）取指令：从存储单元地址等于当前程序计数器PC的内容的那个存储单元中读取当前要执行的指令，并把它存放到指令寄存器（IR）中。

（2）分析指令：指令译码器（ID）分析该指令（称为译码）。(www.xing528.com)

（3）生成控制信号：操作控制器根据指令译码器（ID）的输出（译码结果），按一定的顺序产生执行该指令所需的所有控制信号。

（4）执行指令：在控制信号的作用下，计算机各部分完成相应的操作，实现数据的处理和结果的保存。

（5）重复执行：计算机根据PC中新的指令地址，重复执行上述4个过程，直至执行到指令结束。

3.CPU的主要性能指标

CPU作为计算机的运算中心，运算能力和运算速度是其最重要的性能指标。字长决定了CPU的运算能力；而影响CPU运算速度的因素主要包括工作频率、高速缓存容量等。

1）字　长

字长是指计算机运算部件一次能够同时处理的二进制数的位数。字长是衡量计算机性能的一个重要指标，直接反映一台计算机的计算能力和精度。字长越长，计算机的运算数据范围越大、精度越高，计算机的数据处理能力越强。

随着电子技术的发展，计算机的并行能力越来越强。计算机的字长由最初的4位（Intel 4004）、8位（Intel C8008），发展到16位（Intel 8086）、32位（Intel 80386），而目前市场上的主流微型机产品字长通常为64位，大型机已达128位。

2）运算速度

运算速度是指计算机每秒所能执行规定指令的数目，常用MIPS（Million Instructions Per Second，百万次/秒）为单位。该指标能直观地反映计算机的速度。

3）主频

主频也叫时钟频率，以兆赫兹（MHz）或吉赫兹（GHz）为单位。通常，主频越高，CPU的处理速度就越快。

需要注意，CPU主频只代表其自身的处理速度，并不能决定整机的性能。计算机性能还受到外频、总线频率、内存速度、硬盘速度等很多因素影响。因此，在配置计算机时，必须综合考虑各方面因素，才能发挥各硬件的最优性能。

4）高速缓冲存储器（Cache）

高速缓冲存储器简称高速缓存或缓存。缓存的大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。

高速缓一般分为三级（L1 Cache、L2 Cache、L3 Cache）。其中L1 Cache（一级缓存）位于CPU内部，采用静态SRAM，工作频率与主频一致，结构复杂，价格较贵，且受CPU面积限制，容量很小。一般服务器CPU的一级缓存的容量通常在32～256 KB。