第六章中央處理器6.1中央處理器的功能和組成6.2控制器的組成和實現方法6.3時序系統與控制方式6.4微程序控制原理6.6流水線技術6.7精簡指令系統計算機6.8微處理器中的新技術6.1中央處理器的功能和組成什么是中央處理器？CPU——CentralProcessingUnit。它是控制計算機自動完成取出指令和執行指令任務的部件，它是計算機的核心部件。CPU的基本組成控制器功能——取指、譯碼、產生控制信號運算器執行所有的算術、邏輯運算和邏輯測試。CPU的發展從單機方面從性能改進，發展到并行操作、流水控制；從多CPU方面從單CPU發展到雙CPU、4CPU、流水線機、陣列機多處理機國產CPU——“龍芯”(loongson)2002年8月10日，“龍芯1號”研制成功。雖然它還不能與Intel和AMD的CPU在PC市場上競爭，但它是具有我國自主知識產權的CPU芯片。“龍芯”1號的研制成功標志著我國已初步掌握了當代CPU設計的關鍵技術，對我國的CPU核心技術、國家安全、經濟發展都有舉足輕重的作用。“世界工廠”的困惑國內眾多外企只是完成加工、組裝環節，耗費勞動力多，但附加值很低。對PC產業來講，包括聯想、方正這樣的大企業利潤也是相當低的，主要原因就是我們買別人的芯片來組裝，只是一個組裝工廠而已。國產CPU——“龍芯”(loongson)

2009年9月“龍芯3A”研制成功（65nm，含4.25億個晶體管），已達到Pentium4中檔水平

2010年4月23日，曙光公司宣布正式推出基于“龍芯3號”的曙光龍芯刀片服務器，該產品填補了我國在自主知識產權CPU刀片服務器產品上的空白。“龍芯”的市場前景進口一臺服務器用的CPU芯片價格高達幾萬元，占到服務器成本的70%以上，據統計，光進口芯片國外大公司每年就能從中國賺走一百多億美元。如果“龍芯”可以替代，市場前景不可限量。

應用范圍：通用計算機、國防工業，網絡服務器、路由器、游戲機等CPU的功能

從程序運行的角度來看，控制器的基本功能是對指令流和數據流在時間與空間上實施正確的控制。對指令流的控制指令流出的控制指令分析與執行的控制指令流向的控制對數據流的控制對數據的流入與流出的控制對數據變換、加工等操作的控制程序條件寄存器程序計數器PCMAR地址總線AB數據總線DB累加器AC存儲器I/OCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器ID操作控制器時序產生器時鐘狀態反饋取指控制執行控制cccccMDRCPU的組成CPU中的主要寄存器CPU中的主要寄存器分為兩部分通用寄存器存放原始數據和運算結果，有的還可以作為變址寄存器、計數器、地址指針等。通用寄存器一般可以由CPU直接訪問。運算器中至少要有一個累加器專用寄存器程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、存儲器地址寄存器（MAR）、存儲器數據寄存器（MDR）、狀態標志寄存器（PSWR）。CPU的專用寄存器程序計數器PC存放正在執行的指令地址或將要執行的下條指令地址。指令寄存器IR用來存放從存儲器中取出的指令。存儲器數據寄存器MDR暫存由主存讀出的一條指令或一個數據字；若當向主存存入一條指令或一個數據字時，也暫存在MDR中。存儲器地址寄存器MAR用來保存當前CPU所訪問的主存單元的地址。狀態標志寄存器PSWR存放程序狀態字，PSW的各位表征程序和機器運行的狀態。6.1.4CPU的主要技術參數字長指在單位時間內同時處理的二進制數據的位數。CPU按其處理信息的字長可以分為：8位CPU、16位CPU、32位CPU以及64位CPU等。內部工作頻率(內頻或主頻)表示在CPU內數字脈沖信號震蕩的速度主頻與CPU實際的運算能力并沒有直接關系，僅是CPU性能表現的一個方面，而不代表CPU的整體性能。它是衡量CPU速度的重要參數。主頻的倒數是時鐘周期，這是CPU中最小的時間元素。每個動作至少需要一個時鐘周期。CPU的主要技術參數外部工作頻率它是由主板為CPU提供的基準時鐘頻率。早期，CPU的內頻就等于外頻。例如：80486DX-33的內頻和外頻均是33MHz。即CPU內部運算速度以及與外界溝通的速度相同。目前，CPU與主存速度不匹配所以出現了“倍頻”技術，內頻、外頻和倍頻的關系是：

內頻=外頻×倍頻

理論上倍頻是從1.5一直到無限，以0.5為一個間隔單位。

CPU的主要技術參數前端總線頻率是CPU和外界交換數據的最主要通道，主要連接主存、顯卡等數據吞吐率高的部件，前端總線的數據傳輸能力對計算機整體性能作用很大。在Pentium4出現前，前端總線頻率=外頻。隨著計算機技術發展，需要前端總線頻率>外頻，使得前端總線頻率成為外頻的2倍、4倍甚至更高。

CPU的主要技術參數片內Cache的容量(CPUCache)它的容量和工作速率對提高計算機的速度起著關鍵的作用。CPUCache可以分為L1Cache、L2Cache，部分高端CPU還具有L3Cache。L1Cache的容量基本在4KB～64KB之間，L2Cache的容量則從128KB～2MB不等。L2Cache是影響CPU性能的關鍵因素之一，在CPU核心不變化的情況下，增加L2Cache的容量能使性能大幅度提高，而同一核心CPU的高低端之分往往也是在L2Cache上有差異。

CPU的主要技術參數工作電壓CPU正常工作所需的電壓。地址總線寬度它決定CPU可以訪問的最大的物理地址空間，即CPU可使用的最大容量的主存。例如，Pentium有32位地址線，可尋址的最大容量為232＝4096MB（4GB），Itantium有44位地址線，可尋址的最大容量為244＝16TB。CPU的主要技術參數數據總線寬度它決定了CPU與外部Cache、主存以及I/O設備之間進行一次數據傳輸的信息量。若DB為32位，每次最多可以讀寫主存中的32位；若DB為64位，每次最多可以讀寫主存中的64位。數據總線和地址總線是互相獨立的DB寬度指明了芯片的信息傳遞能力，AB寬度說明了芯片可以訪問多少個主存單元。CPU的主要技術參數制造工藝線寬指芯片內電路之間的距離，可用線寬來描述制造工藝。線寬越小，意味著芯片上包括的晶體管數目越多。Pentium2的線寬是0.35μm，晶體管數達到7