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福师《计算机体系结构》-奥鹏教育
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计算机组成原理――CPU论文
计算机组成原理――CPU
CPU是计算机进行运算的核心,其重要性相当于人体的大脑，起着至关重要的作用。CPU的主要性能指标有字长、频率、高速缓存、前端总线频率、超线程技术的应用、支持的扩展指令集等等，对整个计算机的性能起着至关重要的作用。要从了解CPU的发展历程，运行原理以及故障排除等多方面了解CPU，从而达到对CPU的全面认识。关健词
The priciple of the Computer Compoment--CPU
Wu MinAbstract
CPU is the core of computer operations, its importance is equivalent to the human brain, plays a vital role in.The main properties of CPU index word length, frequency, cache, FSB, hyper threading technology, support the instruction set extensions on the whole computer plays an important role in the performance. To understand the development history of CPU, operation principle and troubleshooting to know more about CPU, to achieve a comprehensive understanding of CPU.Keywords
CPU，History, Working priciple , Troubleshooting引言CPU是Central Processing Unit（中央微 处理器）的缩写，又称为微处理器。随着网络时代的到来，网络通信、信息安全和信息家电产品将越来越普及，而CPU正是所有这些信息产品中必不可少的部件，CPU主要由运算器和控制器组成，是微型计算机硬件系统中的核心部件，起着控制整个微型计算机系统的作用。CPU性能的高低通常决定了一台计算机的档次。世界上生产CPU芯片主要有Intel和AMD两家公司。Intel公司生产的CPU始终占有相当大的市场。目前，Intel公司生产的CPU主要有赛扬系列、奔腾系列、酷睿系列等。AMD公司的CPU占有相当的市场份额。AMD公司生产的CPU主要有闪龙系列、速龙系列等。协调工作，决定了计算机的整体性能。CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成。寄存器组用于在指令执行过后存放操作数和中间数据，由运算器完成指令所规定的运算及操作。CPU的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium 4时代，只经过了不到二十年的时间。1971 Intel 4004，世界上第一款微处理器
1974 Intel 8008，第一个8位的微处理器； 1974 Intel 8080，第一个真正的微处理器； 1978 Intel 8086，16位微处理器；
Intel 80186； 1982 Intel 80286；1985 Intel 80386，新一代32位核心微处理器； 1989 Intel 80486； 1993 Pentium（奔腾）；从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而PentiumⅢ的集成度超过了2810万个晶体管；CPU的运行速度，以MIPS(百万个指令每秒)为单位，MIPS，到高能奔腾时已超过了1000MIPS。
1 CPU的简介和历史发展CPU的外部组成：控制单元，存储单元（寄存器，缓存），逻辑运算单元。CPU的外部组成：芯片，金属壳（保护CPU，增加散热面积），引脚（固定CPU，连通电路）。CPU是计算机的核心部件，处理计算机中的所有数据，使计算机完成各种功能，并使各部件
CPU从最初发展至今期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以64位微处理器，基本上可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。1971年世界第一台微处理器Inter的4004出现，内部集成2300个晶体管；1978年Inter16位处理器8086和与之配合的数学协处理器8087同时推出；1979年Inter8088推出，内含27000个晶体管，外部数据总线减少为8位，也首次运用于IBM PC中，预示微机时代即将来临．1982年Inter又推出了16位的80286，内部晶体管13．4万个，时频由最初的6MHZ升为20MHZ；1985年32位处理器80386推出，时频达到12．5MHZ以上；1989年集成120万晶体管的80486出现，时频90MHZ，性能比386提高了4倍；1993年奔腾时代来临，奔腾1，世界上第一台586级处理器，310万晶体管，时频200MHZ；1996年奔腾Pro，550万晶体管，处理速度是一代的2倍；同时第一次采用2级内存，同年奔腾MMX推出，L1缓存加倍；1997年，奔腾Pro与MMX结合，奔腾2出现，性能大大提高；1998年奔腾3出现，一级缓存2KB，二级缓存512KB，安全性能大大提高；2000年奔腾4推出，主频超过1．7GHZ．之后又出了双核，四核．．．Inter处理器的发展就代表了CPU的发展，其中不乏其他公司产品，如AMD等
AMD公司生产的CPU
2 CPU的运行原理及过程
2.1 CPU的运行原理CPU的主要运作原理，不论其外观，都是执行储存于被称为程序里的一系列指令。在此讨论的是遵循普遍的冯?诺伊曼结构(von Neumann architecture)设计的装置。程序以一系列数字储存在计算机存储器中。差不多所有的冯?诺伊曼CPU 的运作原理可分为四个阶段： 提取、解码、执行和写回。第一阶段,提取,从程序存储器中检索指令(为数值或一系列数值)。由程序计数器指定程序存储器的位置，程序计数器保存供识别目前程序位置的数值。换言之，程序计数器记录了CPU在目前程序里的踪迹。提取指令之后,PC根据指令式长度增加存储器单元[iwordlength]。指令的提取常常必须从相对较慢的存储器查找,导致CPU等候指令的送入。这个问题主要被论及在现代处理器的高速缓存和管线化架构。CPU根据从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断。根据CPU的指令集架构(ISA)定义将数值解译为指令[isa]。一部分的指令数值为运算码,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,诸如一个加法运算的运算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值(即立即值),或是一个空间的寻址值:暂存器或存储器地址,以寻址模式决定。在旧的设计中,CPU里的指令解码部分是无法改变的硬体装置。不过在众多抽象且复杂的CPU和ISA中，一个微程序时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。这些微程序在已成品的CPU 中往往可以重写，方便变更解码指令。在提取和解码阶段之后，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，而且在输出将含有总和结果。ALU内含电路系统，以于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算(比如加法和位运算)。如果加法运算产生一个对该CPU处理而言过大的结果，在标志暂存器里，溢出标志可能会被设置。最终阶段，写回。以一定格式将执行阶段的1
Intel公司生产的
结果简单的写回。运算结果极常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速访问。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存。某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接产生结果数据。这些一般称作“跳转”并在程序中带来循环行为、条件性执行（透过条件跳转）和函数[jumps]。许多指令也会改变标志暂存器的状态位。这些标志可用来影响程序行为,缘由于它们时常显出各种运算结果。例如，以一个“比较”指令判断两个值的大小，根据比较结果在标志暂存器上设置一个数值。这个标志可借由随后的跳转指令来决定程序动向。在执行指令并写回结果数据之后，程序计数器的值会递增，反复整个过程，下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。如果完成的是跳转指令，程序计数器将会修改成跳转到的指令地址，且程序继续正常执行。许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。这个部分一般涉及“经典RISC管线”，那些实际上是在众多使用简单CPU的电子装置中快速普及（常称为单片机）。CPU 数字表示方法是一个设计上的选择,这个选择影响了设备的工作方式。一些早期的数字计算机内部使用电气模型来表示通用的十进制(基于10 进位)数位系统数字。还有一些罕见的计算机使用三进制表示数字。几乎所有的现代的CPU 使用二进制系统来表示数字，这样数字可以用具有两个值的物理量来表示，例如高低电平[binaryvoltage]等等。与数表示相关的是一个CPU可以表示的数的大小和精度，在二进制CPU 情形下，一个位（bit）指的是CPU处理的数中的一个有意义的位，CPU用来表示数的位数量常常被称作“字长”, “位宽”, “数据通路宽度”或者当严格地涉及到整数（与此相对的是浮点数）时称作“整数精度”、该数量因体系结构而异，且常常在完全相同的CPU的不同部件中也有所不同。 实际上，整数精度在CPU可执行的软件所能利用的整数取值范围上设置了硬件限制。整数精度也可影响到CPU可寻址（寻址）的内存数量。譬如，如果二进制的CPU使用32位来表示内存地址，而每一个内存地址代表一个八位组，CPU 可定位的容量便是232个位组或4GB。以上是简单描述的CPU地址空间，通常实际的CPU 设计使用更为复杂的寻址方法，例如为了以同样的整数精度寻址更多的内存而使用分页技术。
2更高的整数精度需要更多线路以支持更多的数字位，也因此结构更复杂、更巨大、更花 费能源，也通常更昂贵。因此尽管市面上有许多更高精准度的CPU如 16、32、64甚至128位，但依然可见应用软件执行在4或8位的单片机上。越简单的单片机通常较便宜，花费较少能源，也因此产生较少热量。这些都是设计电子设备的主要考量。2.2
CPU的运行过程
数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或移位运算。 假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针(Instruction Pointer)会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号(称为地址)，可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。基本上，CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下，一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作，CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指令后，CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生你在显示器上所看到的结果。在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间。
数据量计算时处理器的性能。而这些对游戏都很有帮助。
(4)制造工艺：是指生产CPU过程中加工制造各种电路，以及制造导线连接各个电路。CPU的制造工艺直接关系到CPU的电气性能,CPU的封装一般有陶瓷封装和树脂封装两种。(5)CPU的扩展指令集：CPU性能可以用工作频率来表现，而CPU强大的功能则依赖于指令系统，指令集相当于CPU的思想和灵魂，指令系统决定了CPU能运行什么样的程序，指令越多，CPU的功能越强大。(6)前段总线频率（FSB）:CPU与北桥芯片的连接通道成为前端总线，该通道的数据传输速度成为前端总线频率。(7)内存总线速度(Memory-Bus Speed)：指CPU与二级(L2)高速缓存和内存之间的通信速度。
(8)扩展总线速度(Expansion-Bus Speed)： 指安装在微机系统上的局部总线如VESA或PCI总线接口卡的工作速度。
(9)工作电压(Supply Voltage)：指CPU正常工作所需的电压。早期CPU的工作电压一般为5V，随着CPU主频的提高，CPU工作电压有逐步下降的趋势，以解决发热过高的问题。(10)地址总线宽度：决定了CPU可以访问的物理地址空间，对于486以上的微机系统，地址线的宽度为32位，最多可以直接访问4096MB的物理空间。(11)数据总线宽度：决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。(12)超标量：指在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。Pentium级以上CPU均具有超标量结构；而486以下的CPU属于低标量结构，即在这类CPU内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时钟周期。(13)超线程(Hyper-Threading)技术：它可以同时执行多重线程，就能够让CPU发挥更大效率。3.2 计算机使用中CPU常见故障的排除
图3 CPU运行方式解说图
3 计算机CPU的主要性能指标及常见故障的排除3.1 计算机CPU的主要性能指标(1)字长：CPU单位时间内能直接处理的二进制位数，一般情况下, 把单位时间内能处理为8位数据的CPU叫8位CPU。同理,64位的CPU在单位时间内能处理字长为64位的二进制数据。字长是表示运算器性能的主要技术指标,通常等于CPU数据总线的宽度。CPU字长越长,运算精度越高, 信息处理速度越快,CPU性能也就越高。
(2)工作频率：CPU工作时的频率。可以分为主频、倍频和外频，关系：主频=外频×倍频。 主频：CPU正常工作时的时钟频率。
外频：系统总线的工作频率。倍频：指CPU外频与主频相差的倍数。
(3)缓存：是用来存储一些常用或即将用到的数据或指令，需要这些数据或指令时，可以直接从缓存中读取，缓存容量越大, 性能也就越高。L1高速缓存即一级高速缓存。分为数据缓存和指令缓存。L1内置高速缓存可以提高CPU的运行效率,内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大。不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，级高速缓存的容量不可能做得太大。L2级高速缓存是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好。L3高速缓存分为外置和内置两种。L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大
(1) 故障现象：由于超频或者电压工作不稳定和CPU 的制造工艺的不同等原因, 会导致CPU 不能正常工作, 显示器突然黑屏, 重启后无效, 更严重者会烧坏CPU。①有的CPU本身不具备超频能力却硬要超频,
有的CPU 超频的余量很小, 却让它超出额定频率较大的范围工作, 其结果将导致电脑工作不正常, 经常出现死机现象。如开机后用手摸一下CPU, 发现非常烫, 则故障就可能在此。解决的方法是: 用户可以找到CPU 的外频与倍频跳线, 逐步降频后,启动电源, 系统恢复正常, 显示器也就有了显示。也有可能是过度超频之后, 电脑启动时可能出现散热风扇转动正常, 但硬盘指示灯只亮了一下便没有反应了,显示器也维持待机状态的故障。由于此时不能进入BIOS 设置选项,因此只能给CPU 降频。具体方法是打开机箱并在主板上找到给CMOS 放电的跳线, 给CMOS放电后重启系统即可。② 电压不正常导致CPU 烧坏。常见的故障现象是开机后黑屏, 只听到CPU 风扇在转动, 没有开机自检。解决方法: 根据故障现象可以排除电源的故障, 开机后风扇在转动, 说明计算机是通电的。但是不能自检, 也就不能听到“滴”的一声响, 此时怀疑是主板或CPU 的故障, 初步判断后, 采用替换法进行确认。首先找一台同等配置的好的计算机, 把此台计算机的CPU 拆下, 换到有故障的计算机上, 开机后如果能启动并正常进入系统, 说明该台计算机的故障就是CPU 有问题, 仔细查看CPU,发现针角处有发黑的地方, 说明是由于电压不稳定导致CPU 被烧坏。（2） 计算机感染病毒, CPU 性能大幅度下降, 偶伴随死机现象。①该故障原因可能是感染了病毒, 或磁盘碎片过多或CPU 温度过高。解决方法是首先可以使用杀毒软件查杀病毒, 然后使用Windows 附带的“磁盘碎片整理”程序进行整理。如果还不能解决问题,则打开机箱,查看CPU 散热器的风扇通电后是否转动,如果不转动, 则更换新散热器即可。②蠕虫病毒发作使CPU 占用率为何高达100%。故障现象: 即开机使用一段时间后, 硬盘指示灯不停地闪,同时系统运行速度变得非常慢, “任务管理器”窗口中显示CPU 地占用率100%。只有重新启动才能继续使用。但过一段时间后又是如此。从故障描述可知,计算机系统感染了某种蠕虫病毒。在正常情况下,在不运行大型的程序时, CPU 在瞬间的占用率不可能为100%。而蠕虫病毒发作的时候就会将剩余的系统资源占满。这时,用户可以在“任务管理器”窗口中查看哪个程序占用的CPU 资源最多, 如果是一个陌生
4的程序, 建议用户使用杀毒软件(最好使用最新的杀毒库)对系统进行彻底的检查。如果还无法解决该问题,最好重新安装操作系统, 并且安装病毒防火墙。这样, 能彻底解决问题。（3) CPU风扇不转导致计算机死机：故障现象: 计算机开机进入系统后不久就死机,重新启动计算机后故障依旧。解决方法: 打开机箱, 查看机箱内设备的运行情况,发现CPU风扇转动的很慢, 处于似转非转的状态，可打开机箱把硬件重新插一遍后开机,有可能是显卡有问题, 因为从显示器的指示灯来判断无信号输出,使用“替换法”检查,显卡没问题,那么此时有可能是显示器有故障,使用“替换法”再检查,若没有发现问题, 检查CPU,发现CPU的个针脚都擦一遍, 然后把散热片上的制冷片取下, 清洁干净, 装好CPU和制冷片开机, 即可正常启动。计算机由于各种原因总会出现一些故障。特别当遇到CPU常见故障时, 我们应该对CPU的针脚有点发黑和绿斑, 这是生锈的迹象。看来问题就在此处, 因为制冷片有结露的现象, 一定是制冷片的表面温度过低而结露, 导致CPU长期处于潮湿的环境中, 日积月累, 就会产生太多锈斑, 造成接触不良,从而发生此故障。找到问题的所在点后, 要拆掉CPU风扇,给风扇添加润滑油并清理风扇上的灰尘, 再重新安装CPU风扇。开机后CPU 风扇转动正常, 死机现象也就消除了。还可以取出CPU, 用橡皮仔细地把每一主要性能指标有充分的了解, 分析故障原因, 掌握常用的排除方法与技巧, 避免CPU故障造成计算机黑屏、死机等麻烦。4我关于CPU的想法我希望CPU、显卡――合二为一，未来没有CPU和显卡的概念，CPU和显卡将被整合成一颗芯片。CPU和显卡一直是电脑中两个最重要的硬件，其中CPU掌管着电脑大部分的指令计算和功能协调，而显卡更是直接决定着电脑的画面质量以及游戏效果，CPU和显卡的售价也是不菲，有些高端显卡的价格甚至和一台普通电脑相当 。我希望它们变得廉价些。通过学习计算机组成原理得以更加深入的了解计算机的系统和硬件组成，为未来研究出加强大的计算机打下良好基础，未来计算机的发展一定会满足人们的各种需求，一定研发出运行速度更快更稳定的CPU。
参考文献：《电子计算机组成原理》 蒋本珊 北京理工大学
《计算机组成原理》第二版，唐朔飞 编著，高等教育
出版社，2008.1
《计算机导玉龙论》作者：王
电子工业出版社
《计算机科学导论》作者：王志强
机械工业出版社
《微型计算机原理与应用》肖金立 编著，电子工业出
版社，2003-15
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