浅谈计算机硬件CPU

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1、XXXX 大学课程论文学 院：XX 学院 班 级：XX 级 XXXXXXX班姓 名：XX 学 号： XXXXX课程论文题目：浅谈计算机硬件 CPU课程名称：计算机组装与维护评阅成绩：评阅意见：成绩评定教师签名：日期： 年 月 日浅谈计算机硬件 CPU学生：XX（XX 学院 XX 级 XXXXXX 班，学号 XXXXXX）摘 要： 中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。主要包括运算器（ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache）

2、及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机五大核心部件。关 键 字 ： 物 理 结 构 、 主 要 功 能 、 工 作 过 程随着计算机技术的普及以及大众对计算机进行商务、学习、工作等需求的增长，计算机已经成为人们工作和学习不可缺少的高科技产品之一。现在，计算机已经进入实用阶段，越来越多的人拥有了自己的计算机，同时希望掌握计算机组装和维修技术。一、物理结构CPU 包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。1.逻辑部件 英文 Logiccomponents；2.运算逻辑部件。可以执行定点或浮点算术运算

3、操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。3.寄存器包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。通用寄存器是中央处理器的重要组成部分，大多数指令都要访问到通用寄存器。通用寄存器的宽度决定计算机内部的数据通路宽度，其端口数目往往可影响内部操作的并行性。专用寄存器是为了执行一些特殊操作所需用的寄存器。控制寄存器（CR0CR3）用于控制和确定处理器的操作模式以及当前执行任务的特性。CR0 中含有控制处理器操作模式和状态的系统控制标志；CR1 保留不用；CR2 含有导致页错误的线性地址；C

4、R3 中含有页目录表物理内存基地址.4.控制部件 英文 Control unit；控制部件，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。其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。简单指令是由（35）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成

5、。二、主要功能1.处理指令英文 Processing instructions；这是指控制程序中指令的执行顺序。程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规定的顺序执行，才能保证计算机系统工作的正确性。2. 执行操作英文 Perform an action；一条指令的功能往往是由计算机中的部件执行一系列的操作来实现的。CPU 要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。3. 控制时间英文 Control time；时间控制就是对各种操作实施时间上的定时。在一条指令的执行过程中，在什么时间做什么操作均应受到严格的控制。只有这样，计算机才能

6、有条不紊地工作。4. 处理数据即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处理。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据， 并执行指令。在微型计算机中又称微处理器，计算机的所有操作都受 CPU 控制，CPU 的性能指标直接决定了微机系统的性能指标。CPU 具有以下 4 个方面的基本功能：数据通信，资源共享，分布式处理，提供系统可靠性。运作原理可基本分为四个阶段：提取（Fetch） 、解码（Decode） 、执行（Execute）和写回（Writeback） 。三、工作过程CPU 从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后

7、发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。有的指令中也直接包含操作数本身。1. 提取第一阶段，提取，从存储器或高速缓冲存储器中检索指令（为数值或一系列数值） 。由程序计数器（Program Counter）指定存储器的位置。(程序计数器保存供识别程序位置的数值。换言之，程序计数器记录了 CPU 在程序里的踪迹。)2. 解码CPU 根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片段。

8、根据 CPU 的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令。一部分的指令数值为运算码（Opcode） ，其指示要进行哪些运算。其它的数值通常供给指令必要的信息，诸如一个加法（Addition）运算的运算目标。3. 执行在提取和解码阶段之后，紧接着进入执行阶段。该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的 CPU 部件。例如，要求一个加法运算，算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值，而输出将含有总和的结果。ALU 内含电路系统，易于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算（比如加法和位元运算） 。如果加法运算产生一个对该 CPU

9、处理而言过大的结果，在标志暂存器里可能会设置运算溢出（Arithmetic Overflow）标志。4. 写回最终阶段，写回，以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进 CPU 内部的暂存器，以供随后指令快速存取。在其它案例中，运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较便宜的主记忆体中。某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接产生结果。这些一般称作“跳转” （Jumps） ，并在程式中带来循环行为、条件性执行（透过条件跳转）和函式。许多指令会改变标志暂存器的状态位元。这些标志可用来影响程式行为，缘由于它们时常显出各种运算结果。例如，以一个“比较”指令判断两个值大小，根据比较结果在标

10、志暂存器上设置一个数值。这个标志可藉由随后跳转指令来决定程式动向。在执行指令并写回结果之后，程序计数器值会递增，反覆整个过程，下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。四、发展历史计算机的发展主要表现在其核心部件微处理器的发展上，每当一款新型的微处理器出现时，就会带动计算机系统的其他部件的相应发展，如计算机体系结构的进一步优化，存储器存取容量的不断增大、存取速度的不断提高，外围设备的不断改进以及新设备的不断出现等。根据微处理器的字长和功能，可将其发展划分为以下几个阶段。第 1 阶段第 1 阶段（19711973 年）是 4 位和 8 位低档微处理器时代，通常称为第 1 代，其典型产品是 Inte

11、l4004 和 Intel8008 微处理器和分别由它们组成的MCS-4 和 MCS-8 微机。基本特点是采用 PMOS 工艺，集成度低（4000 个晶体管/片） ，系统结构和指令系统都比较简单，主要采用机器语言或简单的汇编语言，指令数目较少（20 多条指令） ，基本指令周期为 2050s，用于简单的控制场合。Intel 在 1969 年为日本计算机制造商 Busicom 的一项专案，着手开发第一款微处理器，为一系列可程式化计算机研发多款晶片。最终，英特尔在 1971年 11 月 15 日向全球市场推出 4004 微处理器，当年 Intel 4004 处理器每颗售价为 200 美元。4004

12、是英特尔第一款微处理器，为日后开发系统智能功能以及个人电脑奠定发展基础，其晶体管数目约为 2300 颗。第 2 阶段第 2 阶段（19741977 年）是 8 位中高档微处理器时代，通常称为第 2代，其典型产品是 Intel8080/8085、Motorola 公司、Zilog 公司的 Z80 等。它们的特点是采用 NMOS 工艺，集成度提高约 4 倍，运算速度提高约 1015 倍（基本指令执行时间 12s） 。指令系统比较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、DMA 等控制功能。软件方面除了汇编语言外，还有 BASIC、FORTRAN 等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期还出现了操作

13、系统。1974 年，Intel 推出 8080 处理器，并作为 Altair 个人电脑的运算核心，Altair 在星舰奇航电视影集中是企业号太空船的目的地。电脑迷当时可用395 美元买到一组 Altair 的套件。它在数个月内卖出数万套，成为史上第一款下订单后制造的机种。Intel 8080 晶体管数目约为 6 千颗。第 3 阶段第 3 阶段（19781984 年）是 16 位微处理器时代，通常称为第 3 代，其典型产品是 Intel 公司的 8086/8088，Motorola 公司的 M68000，Zilog 公司的 Z8000 等微处理器。其特点是采用 HMOS 工艺，集成度（20000

14、70000 晶体管/片）和运算速度（基本指令执行时间是 0.5s）都比第 2 代提高了一个数量级。指令系统更加丰富、完善，采用多级中断、多种寻址方式、段式存储机构、硬件乘除部件，并配置了软件系统。这一时期著名微机产品有 IBM 公司的个人计算机。1981 年 IBM 公司推出的个人计算机采用 8088CPU。紧接着 1982 年又推出了扩展型的个人计算机 IBM PC/XT，它对内存进行了扩充，并增加了一个硬磁盘驱动器。80286（也被称为 286）是英特尔首款能执行所有旧款处理器专属软件的处理器，这种软件相容性之后成为英特尔全系列微处理器的注册商标，在 6 年的销售期中，估计全球各地共安装了

15、 1500 万部 286 个人电脑。Intel 80286 处理器晶体管数目为 13 万 4 千颗。1984 年，IBM 公司推出了以 80286 处理器为核心组成的 16 位增强型个人计算机 IBM PC/AT。由于 IBM 公司在发展个人计算机时采用 了技术开放的策略，使个人计算机风靡世界。第 4 阶段第 4 阶段（19851992 年）是 32 位微处理器时代，又称为第 4 代。其典型产品是 Intel 公司的 80386/80486，Motorola 公司的 M69030/68040 等。其特点是采用 HMOS 或 CMOS 工艺，集成度高达 100 万个晶体管/片，具有 32 位地址

16、线和 32 位数据总线。每秒钟可完成 600 万条指令（Million Instructions Per Second， MIPS） 。微型计算机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多任务、多用户的作业。同期，其他一些微处理器生产厂商（如AMD、TEXAS 等）也推出了 80386/80486 系列的芯片。80386DX 的内部和外部数据总线是 32 位，地址总线也是 32 位，可以寻址到 4G 英特尔早期经典 CPU英特尔早期经典 CPU(16 张)B 内存，并可以管理 64TB 的虚拟存储空间。它的运算模式除了具有实模式和保护模式以外，还增加了一种“虚拟 86”的工作方式，可以通过同时模拟多个 8086 微处理器来提供多任务能力。80386SX 是 Intel 为了扩大市场份额而推出的一种较便宜的普及型 CPU，它的内部数据总线为 32 位，外部数据总线为 16位，它可以接受为 80