計算機cpu性能指標與作用

CPU的內部結構

　　現在我們已經大概知道CPU是負責些什么事情，但是具體由哪些部件負責處理數據和執行程序呢?

　　1.算術邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)

　　ALU是運算器的核心。它是以全加器為基礎，輔之以移位寄存器及相應控制邏輯組合而成的電路，在控制信號的作用下可完成加、減、乘、除四則運算和各種邏輯運算。就像剛才提到的，這里就相當于工廠中的生產線，負責運算數據。

　　2.寄存器組 RS(Register Set或Registers)

　　RS實質上是CPU中暫時存放數據的地方，里面保存著那些等待處理的數據，或已經處理過的數據，CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內存的時間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問內存的次數，從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專用寄存器和通用寄存器。專用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應的數據。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規定其用途。通用寄存器的數目因微處理器而異。

　　3.控制單元(Control Unit)

　　正如工廠的物流分配部門，控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三個部件組成，對協調整個電腦有序工作極為重要。它根據用戶預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過指令譯碼(分析)確定應該進行什么操作，然后通過操作控制器OC，按確定的時序，向相應的部件發出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節拍脈沖發生器、控制矩陣、時鐘脈沖發生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。

　　4.總線(Bus)

　　就像工廠中各部位之間的聯系渠道，總線實際上是一組導線，是各種公共信號線的集合，用于作為電腦中所有各組成部分傳輸信息共同使用的“公路”。直接和CPU相連的總線可稱為局部總線。其中包括: 數據總線DB(Data Bus)、地址總線AB(Address Bus) 、控制總線CB(Control Bus)。其中，數據總線用來傳輸數據信息;地址總線用于傳送CPU發出的地址信息;控制總線用來傳送控制信號、時序信號和狀態信息等。

　　CPU的工作流程

　　由晶體管組成的CPU是作為處理數據和執行程序的核心，其英文全稱是:Central Processing Unit，即中央處理器。首先，CPU的內部結構可以分為控制單元，邏輯運算單元和存儲單元(包括內部總線及緩沖器)三大部分。CPU的工作原理就像一個工廠對產品的加工過程:進入工廠的原料(程序指令)，經過物資分配部門(控制單元)的調度分配，被送往生產線(邏輯運算單元)，生產出成品(處理后的數據)后，再存儲在倉庫(存儲單元)中，最后等著拿到市場上去賣(交由應用程序使用)。在這個過程中，我們注意到從控制單元開始，CPU就開始了正式的工作，中間的過程是通過邏輯運算單元來進行運算處理，交到存儲單元代表工作的結束。

　　數據與指令在CPU中的運行

　　剛才已經為大家介紹了CPU的部件及基本原理情況，現在，我們來看看數據是怎樣在CPU中運行的。我們知道，數據從輸入設備流經內存，等待CPU的處理，這些將要處理的信息是按字節存儲的，也就是以8位二進制數或8比特為1個單元存儲，這些信息可以是數據或指令。數據可以是二進制表示的字符、數字或顏色等等。而指令告訴CPU對數據執行哪些操作，比如完成加法、減法或移位運算。

　　我們假設在內存中的數據是最簡單的原始數據。首先，指令指針(Instruction Pointer)會通知CPU，將要執行的指令放置在內存中的存儲位置。因為內存中的每個存儲單元都有編號(稱為地址)，可以根據這些地址把數據取出，通過地址總線送到控制單元中，指令譯碼器從指令寄存器IR中拿來指令，翻譯成CPU可以執行的形式，然后決定完成該指令需要哪些必要的操作，它將告訴算術邏輯單元(ALU)什么時候計算，告訴指令讀取器什么時候獲取數值，告訴指令譯碼器什么時候翻譯指令等等。

　　假如數據被送往算術邏輯單元，數據將會執行指令中規定的算術運算和其他各種運算。當數據處理完畢后，將回到寄存器中，通過不同的指令將數據繼續運行或者通過DB總線送到數據緩存器中。

　　基本上，CPU就是這樣去執行讀出數據、處理數據和往內存寫數據3項基本工作。但在通常情況下，一條指令可以包含按明確順序執行的許多操作，CPU的工作就是執行這些指令，完成一條指令后，CPU的控制單元又將告訴指令讀取器從內存中讀取下一條指令來執行。這個過程不斷快速地重復，快速地執行一條又一條指令，產生你在顯示器上所看到的結果。我們很容易想到，在處理這么多指令和數據的同時，由于數據轉移時差和CPU處理時差，肯定會出現混亂處理的情況。為了保證每個操作準時發生，CPU需要一個時鐘，時鐘控制著CPU所執行的每一個動作。時鐘就像一個節拍器，它不停地發出脈沖，決定CPU的步調和處理時間，這就是我們所熟悉的CPU的標稱速度，也稱為主頻。主頻數值越高，表明CPU的工作速度越快。

　　如何提高CPU工作效率

　　既然CPU的主要工作是執行指令和處理數據，那么工作效率將成為CPU的最主要內容，因此，各CPU廠商也盡力使CPU處理數據的速度更快。

　　根據CPU的內部運算結構，一些制造廠商在CPU內增加了另一個算術邏輯單元(ALU)，或者是另外再設置一個處理非常大和非常小的數據浮點運算單元(Floating Point Unit，FPU)，這樣就大大加快了數據運算的速度。

　　而在執行效率方面，一些廠商通過流水線方式或以幾乎并行工作的方式執行指令的方法來提高指令的執行速度。剛才我們提到，指令的執行需要許多獨立的操作，諸如取指令和譯碼等。最初CPU在執行下一條指令之前必須全部執行完上一條指令，而現在則由分布式的電路各自執行操作。也就是說，當這部分的電路完成了一件工作后，第二件工作立即占據了該電路，這樣就大大增加了執行方面的效率。

　　另外，為了讓指令與指令之間的連接更加準確，現在的CPU通常會采用多種預測方式來控制指令更高效率地執行。