微處理器工作原理

1. 引言 2. 微處理器的結(jié)構(gòu) 3. 微處理器指令 4. 微處理器的性能和發(fā)展趨勢

引言

您在瀏覽本頁面時使用的計算機便通過微處理器來完成其工作。微處理器是所有標(biāo)準(zhǔn)計算機的心臟，無論該計算機是桌面計算機、服務(wù)器還是筆記本電腦。您正在使用的微處理器可能是奔騰、K6、PowerPC、Sparc或者其他任何品牌和類型的微處理器，但是它們的作用大體相同，工作方式也基本類似。

如果您曾經(jīng)疑惑計算機中的微處理器是干什么用的，或者對各種類型的微處理器之間的差異感到迷惑，請繼續(xù)閱讀下面的內(nèi)容。在本文中，您將了解到簡簡單單的數(shù)字邏輯電路技術(shù)如何讓計算機完成諸如玩游戲或是對文檔進(jìn)行拼寫檢查的工作。

Intel4004芯片

微處理器（又稱為CPU或中央處理單元）是裝配在單顆芯片上的一個完整的計算引擎。第一顆微處理器是1971年問世的Intel 4004。4004的能力不算強大_它只能執(zhí)行加減運算，而且每次只能對4位的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算。但是它是一個很奇妙的產(chǎn)品，因為所有東西都集成在一顆芯片中。在4004出現(xiàn)之前，工程師們要么使用一堆芯片來制造計算機，要么使用零散部件來搭建出計算機（一次連接一個晶體管）。4004曾被用來生產(chǎn)第一款便攜式電子計算器。

Intel8080

使計算機進(jìn)入尋常百姓家的第一款微處理器是Intel 8080，它是一個完整的8位計算機芯片，于1974年問世。而迅速在市場中走紅的第一款微處理器則是1979年推出的Intel 8088，大概在1982年左右面世的IBM PC便使用了此微處理器。如果您熟悉PC市場及其歷史，便會知道PC市場經(jīng)歷了從8088到80286、80386、80486，再到奔騰、奔騰II、奔騰III乃至奔騰4的發(fā)展過程。所有這些微處理器都是由英特爾制造的，而且都是對8088基本設(shè)計的改進(jìn)。奔騰4可以執(zhí)行最初的8088所能運行的所有代碼，但是它的速度是8088的5000倍。

微處理器的發(fā)展過程：Intel

下表可幫助您了解 Intel 在不同時間推出的不同處理器之間的差異。

名稱	日期	晶體管數(shù)量	微米	時鐘頻率	數(shù)據(jù)寬度	MIPS
8080	1974	6,000	6	2 MHz	8位	0.64
8088	1979	29,000	3	5 MHz	16位 8 位總線	0.33
80286	1982	134,000	1.5	6 MHz	16位	1
80386	1985	275,000	1.5	16 MHz	32位	5
80486	1989	1,200,000	1	25 MHz	32位	20
奔騰	1993	3,100,000	0.8	60 MHz	32位 64位總線	100
奔騰 II	1997	7,500,000	0.35	233 MHz	32位 64位總線	~300
奔騰 III	1999	9,500,000	0.25	450 MHz	32位 64位總線	~510
奔騰 4	2000	42,000,000	0.18	1.5 GHz	32位 64位總線	~1,700
奔騰 4“Prescott”	2004	125,000,000	0.09	3.6 GHz	32 位 64 位總線	~7,000

數(shù)據(jù)來自Intel微處理器快速參考指南和TSCP基準(zhǔn)測試成績

與此表有關(guān)的信息：

什么是芯片？芯片又稱集成電路。通常，它是一個很小、很薄的硅片，上面蝕刻有組成微處理器的晶體管。芯片可能只有2.5厘米見方大小，但是卻包含幾千萬個晶體管。較簡單的處理器可能在幾毫米見方的芯片上刻有幾千個晶體管。

• 日期是該款處理器首次推出的年份。許多處理器會在首次發(fā)布之后在多年中不斷推出具有更高時鐘頻率的型號。
• 晶體管數(shù)量是指芯片上晶體管的數(shù)量。可以看到，芯片上包含的晶體管數(shù)量在逐年穩(wěn)步上升。
• 微米是指芯片上最細(xì)的電路的寬度（單位為微米）。可以用人的頭發(fā)做個比較，頭發(fā)的寬度為100微米。隨著芯片外形尺寸不斷縮小，晶體管數(shù)量卻在不斷增加。
• 時鐘頻率是指芯片的最大時鐘速度。我們將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹時鐘頻率。
• 數(shù)據(jù)寬度是指 ALU的寬度。8位的ALU可以對兩個8位（8比特）數(shù)字進(jìn)行加減乘除運算，而32位的ALU可以計算32位的數(shù)字。8位ALU如果要對兩個 32位數(shù)字進(jìn)行加法操作，必須執(zhí)行四條相加指令，而32位ALU則只需要執(zhí)行一條指令。很多情況下，外部數(shù)據(jù)總線的寬度與ALU相同，但也有不同的情況。8088的ALU為16位，而總線為8位，而現(xiàn)代的奔騰處理器的數(shù)據(jù)總線寬度為64位，ALU為32位。
• MIPS代表“每秒百萬條指令”，是衡量CPU性能的粗略標(biāo)準(zhǔn)。對于現(xiàn)代 CPU的許多工作，MIPS指標(biāo)在很大程度上已經(jīng)失去了意義，但是您可以將它作為一個大致的量度，根據(jù)本欄中的數(shù)據(jù)來了解CPU的性能強弱。

從本表中可以看到，總體來說，時鐘頻率和MIPS之間存在一定關(guān)系。最大時鐘頻率與制造工藝和芯片內(nèi)的延遲密切相關(guān)。此外，在晶體管數(shù)量和MIPS之間也存在一定聯(lián)系。例如，8088的時鐘頻率為5MHz，但是只能以0.33MIPS的速度執(zhí)行指令（大約每15個周期執(zhí)行1條指令）。現(xiàn)代的處理器經(jīng)常可以在每個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行兩條指令。這種能力改進(jìn)與晶體管的數(shù)量有直接關(guān)系，我們將在下一節(jié)中對此加以討論。

微處理器的結(jié)構(gòu)

為了理解微處理器的工作原理，首先看看它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和了解其工作邏輯會很有幫助。在這個過程中，您還可以了解到匯編語言——微處理器的固有語言——以及工程師們?yōu)榱颂岣咛幚砥魉俣人龅拇罅抗ぷ鳌?

微處理器執(zhí)行一組機器指令，這組指令可向處理器告知應(yīng)執(zhí)行哪些操作。微處理器就會根據(jù)指令執(zhí)行三種基本工作：

• 通過使用ALU（算術(shù)/邏輯單元），微處理器可以執(zhí)行數(shù)學(xué)計算。例如：加法、減法、乘法和除法。現(xiàn)代的微處理器包含完整的浮點處理器，它可以對很大的浮點數(shù)執(zhí)行非常復(fù)雜的浮點運算。
• 微處理器可以將數(shù)據(jù)從一個內(nèi)存位置移動到另一個位置。
• 微處理器可以做出決定，并根據(jù)這些決定跳轉(zhuǎn)到一組新指令。

微處理器能夠執(zhí)行許多非常復(fù)雜的工作，但是所有工作都屬于這三種基本操作的范疇。下圖顯示了一個能夠執(zhí)行上述三種操作的非常簡單的微處理器：

這是一個進(jìn)行了最大程度簡化的微處理器。此微處理器具有：

• 一條地址總線（總線寬度可以8位、16位或32位），用于向內(nèi)存發(fā)送一個地址
• 一條數(shù)據(jù)總線（總線寬度可以是8位、16位或32位），能夠?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)存或從內(nèi)存取得數(shù)據(jù)
• 一條RD（讀）和WR（寫）線路，告訴內(nèi)存它是希望寫入某個地址位置還是獲得某個地址位置的內(nèi)容
• 一條時鐘線路，將時鐘脈沖序列發(fā)送到處理器
• 復(fù)位線路，用于將程序計數(shù)器重置為零（或者其他內(nèi)容）并重新開始執(zhí)行

在本例中，我們假定地址和數(shù)據(jù)總線的寬度都是8位的。

以下是這個簡單的微處理器的各個組成部分：

• 寄存器A、B和C就是一些用觸發(fā)器制造的鎖存器。（有關(guān)詳細(xì)信息，請參見布爾邏輯的應(yīng)用一文的“邊緣觸發(fā)鎖存器”部分。）
• 地址鎖存器與寄存器A、B和C極其類似。
• 程序計數(shù)器也是一個鎖存器，但是它有一種額外的能力，也就是能夠在執(zhí)行每條語句后將計數(shù)器加一，并在被告知應(yīng)進(jìn)行重置時將計數(shù)器重置為零。
• ALU可以像一個8位加法器一樣簡單（有關(guān)詳細(xì)信息，請參見布爾邏輯的應(yīng)用一文中有關(guān)加法器的部分），也可以較為復(fù)雜，能夠?qū)?位的值進(jìn)行加法、減法、乘法和除法運算。我們假定是后面一種加法器。
• 測試寄存器是一種特殊的鎖存器，可以存放在ALU中執(zhí)行的比較運算的結(jié)果。ALU通常可以比較兩個數(shù)字，并確定它們是否相等以及其中一個數(shù)字是否大于另一個數(shù)字等。測試寄存器通常還可以保存加法器上一次計算產(chǎn)生的進(jìn)位。它將這些值存放在觸發(fā)器中，隨后指令解碼器可以使用這些值做出決定。
• 圖中有六個標(biāo)記有“3-State”（三態(tài)）的方框。它們是三態(tài)緩沖區(qū)。三態(tài)緩沖區(qū)可以輸出1、0或者徹底斷開其輸出（可以將其想像為一個將輸出線從電路中徹底斷開的開關(guān)）。三態(tài)緩沖區(qū)能夠?qū)⒍喾N輸出連接到電路中，但是線路上的某一個輸出實際上代表的是1或0。
• 指令寄存器和指令解碼器負(fù)責(zé)控制所有其他組件。

有用的文章如果您不熟悉數(shù)字邏輯電路，以下文章可以幫您理解這部分內(nèi)容： 位和字節(jié) 布爾邏輯的應(yīng)用 電子門工作原理

雖然沒有顯示在此圖中，但實際上存在一些來自指令解碼器的控制線，它們的作用是：

• 通知A寄存器鎖存當(dāng)前在數(shù)據(jù)總線上傳遞的值
• 通知B寄存器鎖存當(dāng)前在數(shù)據(jù)總線上傳遞的值
• 通知C寄存器鎖存當(dāng)前由ALU輸出的值
• 通知程序計數(shù)器寄存器鎖存當(dāng)前在數(shù)據(jù)總線上傳遞的值
• 通知地址寄存器鎖存當(dāng)前在數(shù)據(jù)總線上傳遞的值
• 通知指令寄存器鎖存當(dāng)前在數(shù)據(jù)總線上傳遞的值
• 通知程序計數(shù)器進(jìn)行遞增
• 通知程序計數(shù)器重置為零
• 激活所有六個三態(tài)緩沖區(qū)（六條單獨的線路）
• 通知ALU要執(zhí)行的操作
• 通知測試寄存器鎖存ALU的測試位
• 激活RD線路
• 激活WR線路

來自測試寄存器和時鐘線路（以及指令寄存器）的數(shù)據(jù)位會進(jìn)入到指令解碼器中。

RAM和ROM

上一節(jié)中我們討論了地址和數(shù)據(jù)總線，以及RD和WR線路。這些總線和線路連接到RAM或ROM——通常是同時連接到二者。在我們作為例子的微處理器中，有一個寬度為8位的地址總線和一個寬度為8位的數(shù)據(jù)總線。也就是說，該微處理器可以尋址(28) 256個字節(jié)的內(nèi)存空間，并且可以向內(nèi)存讀取或?qū)懭?位的數(shù)據(jù)。我們假定這個簡單的微處理器有128字節(jié)的ROM，其地址從0開始，此外還有128字節(jié)的RAM，其地址從128開始。

ROM芯片

ROM代表只讀內(nèi)存。ROM芯片使用永久性的預(yù)設(shè)字節(jié)進(jìn)行了編程。地址總線通知ROM芯片應(yīng)取出哪些字節(jié)并將它們放在數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)RD線的狀態(tài)更改后，ROM芯片會將選擇的字節(jié)放在數(shù)據(jù)總線上。

RAM芯片

RAM代表隨機存取內(nèi)存。它包含多個字節(jié)的信息，微處理器可以讀取或?qū)懭脒@些字節(jié)，而具體操作取決于信號是由RD線路給出的還是 WR 線路給出的。RAM 芯片的一個缺點是，在電源中斷后，保存的所有信息都會消失。這也就是為何計算機需要使用 ROM 的原因。

順便說一下，幾乎所有計算機都包含一定數(shù)量的 ROM（可以制造出不包括任何RAM的簡單計算機——許多微控制器便做到了這一點，方法是將少量的RAM字節(jié)放在處理器芯片自身中——但是，通常不可能制造出不包含任何ROM的計算機）。在PC中，ROM稱作BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）。在微處理器啟動時，它開始執(zhí)行在BIOS中找到的指令。BIOS指令會執(zhí)行對計算機中的硬件進(jìn)行測試這樣的工作，然后訪問硬盤以讀取啟動扇區(qū)（有關(guān)詳細(xì)信息，請參見硬盤工作原理）。該啟動扇區(qū)是另一個小型程序，在將其從磁盤中讀出后，BIOS將它存儲在RAM中。然后，微處理器開始從 RAM中執(zhí)行啟動扇區(qū)的指令。啟動扇區(qū)程序會通知微處理器將其余指令從硬盤讀入RAM，微處理器隨后又會執(zhí)行這些指令，以此類推。這就是微處理器加載和執(zhí)行整個操作系統(tǒng)的過程。

微處理器指令

雖然前面例子中的微處理器非常簡單，但是它仍然可以執(zhí)行相當(dāng)多的指令。指令集通過位模式的方式實現(xiàn)，每一個位模式在加載到指令寄存器中后都有不同的含義。由于人們不能很好記住這些位模式，所以定義了一些簡短的單詞來表示不同的位模式。這些單詞的集合稱作處理器的匯編語言。匯編程序可以將這些單詞輕松翻譯成它們的位模式，然后會將匯編程序的輸出放在內(nèi)存中供處理器執(zhí)行。

以下是設(shè)計人員可以為例子中的微處理器建立的一組匯編語言指令：

• LOADA mem——將某個內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)加載到寄存器A中
• LOADB mem——將某個內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)加載到寄存器B中
• CONB con——將一個常量值加載到寄存器B中
• SAVEB mem——將寄存器B的內(nèi)容保存到某個內(nèi)存地址
• SAVEC mem——將寄存器C的內(nèi)容保存到某個內(nèi)存地址
• ADD——將A和B相加并將結(jié)果保存在C中
• SUB——將A和B相減并將結(jié)果保存在C中
• MUL——將A和B相乘并將結(jié)果保存在C中
• DIV——將A和B相除并將結(jié)果保存在C中
• COM——將A和B進(jìn)行比較并將結(jié)果保存在測試寄存器中
• JUMP addr——跳轉(zhuǎn)到某個地址
• JEQ addr——如果相等則跳轉(zhuǎn)到某個地址
• JNEQ addr——如果不相等則跳轉(zhuǎn)到某個地址
• JG addr——如果大于則跳轉(zhuǎn)到某個地址
• JGE addr——如果大于或等于則跳轉(zhuǎn)到某個地址
• JL addr——如果小于則跳轉(zhuǎn)到某個地址
• JLE addr——如果小于或等于則跳轉(zhuǎn)到某個地址
• STOP——停止執(zhí)行

如果你讀過C語言入門教程一文，那么會知道下面這段簡單的C代碼可計算5的階乘（5的階乘=5!=5X4X3X2X1=120）：

a=1; 
f=1; 
while (a<=5) 
{ 
    f=f*a; 
    a=a+1; 
} 

在程序執(zhí)行末尾，變量f中包含了5的階乘。

匯編語言

C編譯器可將這段C代碼編譯為匯編語言。假定此處理器中RAM的地址從128開始，而ROM（包含匯編語言程序）的地址從0開始，那么對于我們這個簡單的微處理器來說，該匯編語言看起來如下所示：

// 假定a位于地址128處
// 假定F位于地址129處
0   CONB 1      // a=1; 
1   SAVEB 128 
2   CONB 1      // f=1; 
3   SAVEB 129 
4   LOADA 128   // 如果a>5，則跳轉(zhuǎn)到17
5   CONB 5 
6   COM 
7   JG 17 
8   LOADA 129   // f=f*a; 
9   LOADB 128 
10  MUL 
11  SAVEC 129 
12  LOADA 128   // a=a+1; 
13  CONB 1 
14  ADD 
15  SAVEC 128 
16  JUMP 4       // 進(jìn)行循環(huán)，返回到比較部分 
17  STOP 

ROM

那么，現(xiàn)在的問題是：所有這些指令在ROM中是什么樣的？所有這些匯編語言指令必須以二進(jìn)制數(shù)字的形式表示。為了簡單起見，我們假定每條匯編語言指令具有一個唯一的編號，如下所示：

• LOADA-1
• LOADB-2
• CONB-3
• SAVEB-4
• SAVEC mem-5
• ADD -6
• SUB -7
• MUL -8
• DIV -9
• COM -10
• JUMP addr -11
• JEQ addr -12
• JNEQ addr -13
• JG addr -14
• JGE addr -15
• JL addr -16
• JLE addr -17
• STOP -18

這些數(shù)字稱作opcode（優(yōu)化代碼）。在ROM中，我們的小程序看起來如下所示：

// 假定a位于地址128處
// 假定F位于地址129處
地址 opcode/值 
0    3             // CONB 1 
1    1 
2    4             // SAVEB 128 
3    128 
4    3             // CONB 1 
5    1 
6    4             // SAVEB 129 
7    129 
8    1             // LOADA 128 
9    128 
10   3             // CONB 5 
11   5 
12   10            // COM 
13   14            // JG 17 
14   31 
15   1             // LOADA 129 
16   129 
17   2             // LOADB 128 
18   128 
19   8             // MUL 
20   5             // SAVEC 129 
21   129 
22   1             // LOADA 128 
23   128 
24   3             // CONB 1 
25   1 
26   6             // ADD 
27   5             // SAVEC 128 
28   128 
29   11            // JUMP 4 
30   8 
31   18            // STOP 

您可以看到，七行C代碼變成了18行匯編語言，并且變成了ROM中的32個字節(jié)。

解碼

指令解碼器需要將每個opcode轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M能夠驅(qū)動微處理器內(nèi)部各個部件的信號。讓我們以ADD指令為例，看看解碼器都執(zhí)行了哪些工作：

1. 在第一個時鐘周期，我們需要實際載入該指令。因此，指令解碼器需要：
   • 激活程序計數(shù)器的三態(tài)緩沖區(qū)
   • 激活RD線路
   • 激活data-in（讀入數(shù)據(jù)）三態(tài)緩沖區(qū)
   • 將指令鎖存在指令寄存器中
2. 在第二個時鐘周期中，對ADD指令進(jìn)行解碼。需要做的工作很少：
   • 將ALU的操作設(shè)置為加法
   • 將ALU的輸出鎖存到C寄存器中
3. 在第三個時鐘周期中，程序計數(shù)器會進(jìn)行遞增（理論上這個過程與第二個時鐘周期是重疊進(jìn)行的）。

所有指令都會像這樣分解成一組有序操作，按照正確的順序操作微處理器的各個組件。有些指令（例如這條ADD指令）需要2或3個時鐘周期即可完成。而其他指令則可能需要5或6個時鐘周期才能完成。

微處理器的性能和發(fā)展趨勢

可用晶體管的數(shù)量對處理器性能有巨大影響。如上所述，在8088這樣的處理器中，通常要花費15個時鐘周期才能執(zhí)行一條指令。由于乘法器的設(shè)計方式，在 8088上進(jìn)行16位的乘法運算大約需要80個時鐘周期。而晶體管越多，就越有可能在一個周期中執(zhí)行更多的乘法運算。

晶體管數(shù)量的增多還使我們能夠使用一種稱為流水線的技術(shù)。在流水線式的體系結(jié)構(gòu)中，指令的執(zhí)行過程是相互重疊的。所以，雖然需要花費5個時鐘周期來執(zhí)行每條指令，但是可以同時執(zhí)行5條指令的各個階段。這樣，表面看起來在每個時鐘周期內(nèi)即可執(zhí)行完一條指令。

許多現(xiàn)代的處理器具有多個指令解碼器，每一個都有自己的流水線。這樣便存在多個指令流，也就是說每個時鐘周期可以完成多條指令。但是這種技術(shù)實現(xiàn)起來非常復(fù)雜，因此需要使用大量的晶體管。

發(fā)展趨勢

處理器設(shè)計的發(fā)展趨勢主要是：完全32位的ALU（內(nèi)置快速浮點處理器）和多指令流的流水線式執(zhí)行方式。處理器設(shè)計的最新進(jìn)展是64位ALU，預(yù)計在下一個十年中家用PC就會用上這種處理器。此外，還存在為處理器添加可高效執(zhí)行某些操作的特殊指令（例如MMX指令）的趨勢，以及在處理器芯片中增加硬件虛擬內(nèi)存支持和L1緩存的趨勢。所有這些趨勢都進(jìn)一步增加了晶體管的數(shù)量，導(dǎo)致現(xiàn)在的處理器包含數(shù)千萬個晶體管。而這些處理器每秒大約可以執(zhí)行十億條指令！

64位處理器

64位處理器在1992年就已經(jīng)開發(fā)成功，預(yù)計它們在21世紀(jì)將逐步成為主流產(chǎn)品。I英特爾和AMD都開發(fā)出了64位芯片，Mac G5也是一款64位處理器產(chǎn)品。64位處理器具有64位ALU、64位寄存器、64位總線等等。

人們需要64位處理器的原因之一是它們具有更大的地址空間。32位芯片通常只能訪問最大2GB或4GB的RAM空間。這聽起來似乎是一個很大的空間，是因為當(dāng)前的大多數(shù)家用計算機只配備了256MB到512MB的RAM。但是，對于服務(wù)器和運行大型數(shù)據(jù)庫的計算機來說，4GB的內(nèi)存空間限制是一個嚴(yán)重問題。而且，即使是家用計算機，如果按照當(dāng)前趨勢繼續(xù)發(fā)展，也很快會遇到2GB或4GB限制這個問題。64位芯片則不存在上述限制，因為在可以預(yù)見的未來，64位RAM地址空間都可以說是一個無限大的地址空間——2^64字節(jié)的RAM大概相當(dāng)于十億吉字節(jié)的 RAM。

憑借64位地址總線以及主板上寬闊的高速數(shù)據(jù)總線，64位計算機還可以為硬盤驅(qū)動器和顯卡這樣的設(shè)備提供更快的I/O（輸入/輸出）速度。這些特點可極大地提升系統(tǒng)的性能。

服務(wù)器肯定會受益于64位技術(shù)，但是它對于普通用戶有何意義呢？除了解除RAM限制之外，目前我們還不是很清楚64位芯片能夠為普通用戶提供那些切實的好處。但是它們可以更快地處理數(shù)據(jù)（能夠計算很復(fù)雜的實數(shù)）。進(jìn)行視頻編輯和處理超大圖像的人會受益于這種強大的計算能力。高端游戲也會從中受益，但是需要對它們進(jìn)行重新編碼以利用64位技術(shù)。而閱讀電子郵件、瀏覽網(wǎng)絡(luò)和編輯Word文檔的人實際則不需要使用這種處理器。