中央 ちゅうおう 处理器 き (香港 ほんこん 作 さく CPU ,台湾 たいわん 作 さく CPU )(英語 えいご :C entral P rocessing U nit ,英文 えいぶん 缩写为CPU )是 これ 计算机 つくえ 的 てき 主要 しゅよう 设备之 の 一 いち ,功 こう 能 のう 主要 しゅよう 是 ぜ 解 かい 释计算 さん 机 つくえ 指令 しれい 以及处理计算机 つくえ 软件 中 なか 的 てき 数 かず 据 すえ 。1970年代 ねんだい 以前 いぜん ,中央 ちゅうおう 处理器 き 由 ゆかり 多 た 个独立 どくりつ 单元构成,后 きさき 来 らい 发展出 で 由 ゆかり 集成 しゅうせい 电路制 せい 造 づくり 的 てき 中央 ちゅうおう 处理器 き ,這些高度 こうど 收縮 しゅうしゅく 的 てき 元 もと 件 けん 就是所謂 いわゆる 的 てき 微 ほろ 处理器 き ,其中分 ぶん 出 で 的 てき 中央 ちゅうおう 处理器 き 最 さい 為 ため 复杂的 てき 电路可 か 以做成 なり 单一微小功能强大的单元,也就是 ぜ 所謂 いわゆる 的 てき 核心 かくしん 。
一塊裝在主板上的intel core i7 CPU
AMD Phenom Quad-Core結構 けっこう 攝 と 影 かげ
中央 ちゅうおう 处理器 き 廣義 こうぎ 上 じょう 指 ゆび 一系列可以执行复杂的计算机程序的逻辑机器。这个空 そら 泛的定 てい 义很容易 ようい 地 ち 将 はた 在 ざい “CPU”这个名称 めいしょう 被 ひ 普遍 ふへん 使用 しよう 之 の 前 まえ 的 てき 早期 そうき 计算机 つくえ 也包括 ほうかつ 在 ざい 内 ない 。无论如何 いか ,至 いたり 少 しょう 从1960年代 ねんだい 早期 そうき 开始,这个名称 めいしょう 及其缩写已 やめ 开始在 ざい 电子计算机 つくえ 产业中 ちゅう 得 え 到 いた 广泛应用。尽 つき 管 かん 与 あずか 早期 そうき 相 しょう 比 ひ ,“中央 ちゅうおう 处理器 き ”在 ざい 物理 ぶつり 形 がた 态、设计制 せい 造 づくり 和 わ 具体 ぐたい 任 にん 务的执行上 じょう 有 ゆう 了 りょう 极大的 てき 发展,但 ただし 是 ぜ 其基本 きほん 的 てき 操作 そうさ 原理 げんり 一直没有改变。
早期 そうき 的 てき 中央 ちゅうおう 处理器 き 通常 つうじょう 是 ぜ 为大型 がた 及特定 とくてい 应用的 てき 计算机 つくえ 而定制 せい 。但 ただし 是 ぜ ,这种昂 のぼる 贵的为特定 とくてい 应用定 じょう 制 せい CPU的 てき 方法 ほうほう 很大程度 ていど 上 じょう 已 やめ 经让位 い 于开发便宜 べんぎ 、标准化 か 、适用于一个或多个目的的处理器类。这个标准化 か 趋势始 はじめ 于由单个晶 あきら 体 からだ 管 かん 组成的 てき 大型 おおがた 机 つくえ 和 わ 微 ほろ 机 つくえ 年代 ねんだい ,随 ずい 着 ぎ 集成 しゅうせい 电路的 まと 出 で 现而加速 かそく 。IC使 し 得 とく 更 さら 为复杂的中央 ちゅうおう 处理器 き 可 か 以在很小的 てき 空 そら 间中设计和 わ 制 せい 造 づくり (在 ざい 微 ほろ 米 べい 的 てき 數量 すうりょう 级 )。中央 ちゅうおう 处理器 き 的 てき 标准化 か 和 わ 小型 こがた 化 か 都 と 使 し 这一类電子零件在现代生活中的普及程度越來越高。现代处理器 き 出 で 现在包括 ほうかつ 从汽车 、手 て 机 つくえ 到 いた 儿童玩具 おもちゃ 在 ざい 内的 ないてき 各 かく 种物品 ひん 中 ちゅう 。
EDVAC ,第 だい 一台电子储存式可编程计算机
在 ざい 现今的 てき CPU出 で 现之前 まえ ,如同ENIAC 之 これ 类的计算机 つくえ 在 ざい 执行不同 ふどう 程 ほど 序 じょ 时,必须经过一番线路调整才能启动。由 よし 于它们的线路必须被 ひ 重 じゅう 设才能 さいのう 执行不同 ふどう 的 てき 程 ほど 序 じょ ,這些机 つくえ 器 き 通常 つうじょう 称 しょう 为「固定 こてい 程 ほど 序 じょ 计算机 つくえ 」(fixed-program computer)。而由于CPU这个词指称 しょう 为执行 ぎょう 软件(计算机 つくえ 程 ほど 序 じょ )的 てき 装置 そうち ,那 な 些最早 もはや 与 あずか 储存程 ほど 序 じょ 型 がた 计算机 つくえ 一同登场的装置也可以被称为CPU。
储存程 ほど 序 じょ 型 がた 计算机 つくえ 的 てき 主意 しゅい 早 はや 已 やめ 体 たい 现在ENIAC 的 てき 设计上 じょう ,但 ただし 最 さい 终还是 ぜ 被 ひ 省略 しょうりゃく 以期早 はや 日 ひ 完成 かんせい 。在 ざい 1945年 ねん 6月 がつ 30日 にち ,ENIAC 完成 かんせい 之 の 前 まえ ,著名 ちょめい 数学 すうがく 家 か 冯·诺伊曼 发表名 めい 为《关于EDVAC的 てき 报告草案 そうあん 》的 てき 论文。它揭述 じゅつ 储存程 ほど 序 じょ 型 がた 计算机 つくえ 的 てき 计划将 はた 在 ざい 1949年 ねん 8月 がつ 完成 かんせい 。[ 1] EDVAC的 てき 目 め 标是执行一定数量与种类的指令(或 ある 操作 そうさ ),这些指令 しれい 结合产生出 で 可 か 以让EDVAC 执行的 てき 有用 ゆうよう 程 ほど 序 じょ 。特別 とくべつ 的 てき 是 ぜ ,为EDVAC而写的 てき 程 ほど 序 じょ 是 ぜ 储存在 そんざい 高速 こうそく 计算机 つくえ 内 うち 存 そん 中 なか ,而非由 よし 实体线路组合而成。这項设计克服 こくふく 了 りょう ENIAC的 てき 某 ぼう 些局限 きょくげん ——即 そく 花 はな 费大量 りょう 时间与精力 せいりょく 重 じゅう 设线路 ろ 以执行 ぎょう 新 しん 程 ほど 序 じょ 。在 ざい 冯·诺伊曼的设计下 か ,EDVAC可 か 以借由 よし 改 あらため 变内存 そん 储存的 てき 内容 ないよう ,简单更 さら 换它执行的 てき 程 ほど 序 じょ (软件)[ 註 1] 。
值得注意 ちゅうい 的 てき 是 ぜ ,尽 つき 管 かん 冯·诺伊曼由于设计了EDVAC,使 つかい 得 とく 他 た 在 ざい 发展储存程 ほど 序 じょ 型 がた 计算机上 きじょう 的 てき 贡献最 さい 为显著 ちょ ,但 ただし 其他早 さ 于他的 てき 研究 けんきゅう 员如康 かん 拉 ひしげ 德 とく ·楚 すわえ 澤 さわ (Konard Zuse)也提出 ていしゅつ 过类似 に 的 てき 想 そう 法 ほう 。另外早 さ 于EDVAC完成 かんせい ,利用 りよう 哈佛架 か 构 制 せい 造 づくり 的 てき 马克一 いち 号 ごう ,也利用 りよう 打 だ 孔 あな 带 而非电子内 ない 存 そん 用作 ようさく 储存程 ほど 序 じょ 的 てき 概念 がいねん 。冯·诺伊曼架构与哈佛架 か 构 最 さい 主要 しゅよう 的 てき 不同 ふどう 在 ざい 于后者 しゃ 将 はた CPU指令 しれい 与 あずか 资料分 ぶん 开存放 ひ 与 あずか 处置,而前者 しゃ 使用 しよう 相 しょう 同 どう 的 まと 内 ない 存 そん 位置 いち 。大 だい 多 た 近代 きんだい 的 てき CPU依 よ 照 あきら 冯·诺伊曼架构设计,但 ただし 哈佛架 か 构 一 いち 样常见。
身 み 为数 すう 位 い 装置 そうち ,所有 しょゆう CPU处理不 ふ 连续状 じょう 态,因 いん 此需要 じゅよう 一些转换与区分这些状态的基础元件。在 ざい 市 し 场接受 せつじゅ 晶 あきら 体 からだ 管 かん 前 まえ ,继电器 き 与 あずか 真空 しんくう 管 かん 常用 じょうよう 在 ざい 这些用 よう 途上 とじょう 。虽然这些材料 ざいりょう 速度 そくど 上 じょう 远优于纯粹 いき 的 てき 机 つくえ 械构造 づくり ,但 ただし 是 ぜ 它们有 ゆう 许多不可 ふか 靠 もたれ 的 てき 地方 ちほう 。例 れい 如以继电器 き 建造 けんぞう 直流 ちょくりゅう 时序逻辑 回路 かいろ 需要 じゅよう 额外的 てき 硬 かた 件 けん 以应付 づけ 接触 せっしょく 点 てん 跳 とべ 动問題 もんだい 。而真空 しんくう 管 かん 不 ふ 会 かい 有 ゆう 接触 せっしょく 点 てん 跳 とべ 动问题,但 ただし 它们必须在 ざい 启用前 ぜん 预热,也必须同时停止 ていし 运作[ 註 2] 。通常 つうじょう 當 とう 一根真空管坏了,CPU必须找出损坏元 もと 件 けん 以置换新管 かん 。因 よし 此早期 き 的 てき 电子真空 しんくう 管 かん 式 しき 计算机 つくえ 快 かい 于电子 こ 继电器 き 式 しき 计算机 つくえ ,但 ただし 维修不便 ふべん 。类似EDVAC的 てき 真空 しんくう 管 かん 计算机 つくえ 每 ごと 隔 へだた 八小时便会损坏一次,而较慢较早期 そうき 的 てき 马克一号却不太发生故障。[ 2] 但 ただし 在 ざい 最 さい 后 きさき ,由 ゆかり 于速度 そくど 优势,真空 しんくう 管 かん 计算机 つくえ 主宰 しゅさい 了 りょう 当 とう 时的计算机 つくえ 世界 せかい ,尽 つき 管 かん 它们需要 じゅよう 较多的 てき 维护照 あきら 顾。大 だい 多 た 早期 そうき 的 てき 同 どう 步 ふ CPU,其时钟频率 低 てい 于近代 きんだい 的 てき 微 ほろ 电子设计(见下列 れつ 对于时钟频率的 てき 讨论)。那 な 时常见的时钟频率为10万 まん 赫兹 到 いた 4百 ひゃく 万 まん 赫兹,大 だい 大 だい 受限于内建 けん 切 きり 换装置 そうち 的 てき 速度 そくど 。
分立 ぶんりつ 晶 あきら 体 からだ 管 かん 与 あずか 集成 しゅうせい 电路中央 ちゅうおう 处理器 き
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CPU,磁芯内 ない 存 そん 及MSI PDP-8 /I 总线 界面 かいめん
由 よし 于许多 た 科技 かぎ 厂家投入 とうにゅう 更 さら 小 しょう 更 さら 可 か 靠 もたれ 的 てき 电子装置 そうち ,使 つかい 得 とく 设计CPU变得越来 ごえく 越 えつ 复杂。晶 あきら 体 からだ 管 かん 的 まと 面 めん 世 よ 即 そく 是 ぜ CPU第 だい 一 いち 个质的 てき 飞跃。1950到 いた 60年代 ねんだい 的 てき 晶 あきら 体 からだ 管 かん CPU不 ふ 再 さい 以体积庞大 だい 、不可 ふか 靠 もたれ 与 あずか 易 えき 碎的开关元 もと 件 けん (例 れい 如继电器 き 与 あずか 真空 しんくう 管 かん )建造 けんぞう 。借 か 由 よし 这项改良 かいりょう ,更 さら 加 か 复杂与 あずか 可 か 靠 もたれ 的 てき CPU便 びん 被 ひ 建造 けんぞう 在 ざい 一个或多个包含分立(离散)元 もと 件 けん 的 てき 印刷 いんさつ 电路板 ばん 上 うえ ,从而向 こう 体 からだ 积小、可 か 靠 もたれ 与 あずか 不易 ふえき 损坏方向 ほうこう 发展。
在 ざい 此时期 き ,将 はた 许多晶 あきら 体 からだ 管 かん 放置 ほうち 在 ざい 拥挤空 そら 间中的 てき 方法 ほうほう 大 だい 为普及 ふきゅう 。積 せき 體 たい 電路 でんろ (IC)将 はた 大量 たいりょう 的 てき 晶 あきら 体 からだ 管 かん 集中 しゅうちゅう 在 ざい 一 いち 小 しょう 块半 はん 导体片 へん ,或 ある 晶 あきら 片 へん (chip)上 じょう 。刚开始 はじめ 只 ただ 有 ゆう 非常 ひじょう 基本 きほん 、非 ひ 特定 とくてい 用途 ようと 的 てき 数字 すうじ 电路小型 こがた 化 か 到 いた IC上 じょう (例 れい 如NOR逻辑閘 )。以这些预装 そう 式 しき IC为基础的CPU称 しょう 为小规模集成 しゅうせい 电路(SSI)装置 そうち 。SSI IC,例 れい 如装置 そうち 在 ざい 阿波 あわ 罗导航 こう 计算机 つくえ 上 うえ 的 てき 那 な 些计算 さん 机 つくえ ,通常 つうじょう 包含 ほうがん 数 すう 十 じゅう 个晶体 からだ 管 かん 。以SSI IC建 けん 构整个CPU需要 じゅよう 数 すう 千个独立的晶片,但 ただし 与 あずか 之 これ 前 まえ 的 てき 分立 ぶんりつ 晶 あきら 体 からだ 管 かん 设计相 しょう 比 ひ ,依然 いぜん 省 しょう 下 か 很多空 そら 间与电力。肇 はじめ 因 いん 于微電子 でんし 科技 かぎ 的 てき 进步,在 ざい IC上 じょう 的 てき 晶 あきら 体 からだ 管 かん 数量 すうりょう 越来 ごえく 越 えつ 大 だい ,因 いん 此减少 しょう 了 りょう 建 けん 构一个完整 せい CPU需要 じゅよう 的 てき 独立 どくりつ IC数量 すうりょう 。「中 ちゅう 规模集成 しゅうせい 电路」(MSI)与 あずか 「大 だい 规模集成 しゅうせい 电路 」(LSI)将 しょう 内含 ないがん 的 てき 晶 あきら 体 からだ 管 かん 数量 すうりょう 增加 ぞうか 到 いた 成 なり 百 ひゃく 上 じょう 千 せん 。
1964年 ねん IBM 推出了 りょう System/360 计算机 つくえ 架 か 构,此架构让一系列速度与性能不同的IBM计算机 つくえ 可 か 以运行 ぎょう 相 しょう 同 どう 的 てき 程 ほど 序 じょ 。此确实为一 いち 项创举,因 いん 为当时的计算机 つくえ 大 だい 多 た 互不相 しょう 容 よう ,甚至同 どう 一家厂商制造的也是如此。为了实践此项创举,IBM提出 ていしゅつ 了 りょう 微 ほろ 程 ほど 序 じょ 概念 がいねん ,此概念 がいねん 依然 いぜん 广泛使用 しよう 在 ざい 现代CPU上 じょう 。[ 3] System/360架 か 构由于太过成功 せいこう ,因 いん 此主宰 しゅさい 了 りょう 大型 おおがた 计算机 つくえ 数 すう 十 じゅう 年 ねん 之 の 久 ひさ ,并留下 か 一系列使用相似架构,名 めい 为IBM zSeries 的 てき 现代主 ぬし 机 つくえ 产品。同 どう 一 いち 年 ねん (1964),迪 すすむ 吉 きち 多 おお (DEC)推出另一个深具影响力且瞄准科学与研究市场的计算机,名 めい 为PDP-8 。DEC稍 やや 后 きさき 推出非常 ひじょう 有名 ゆうめい 的 てき PDP-11 ,此产品原 しなはら 先 さき 计划以SSI IC构组,但 ただし 在 ざい LSI技 わざ 术成熟 せいじゅく 后 きさき 改 あらため 为LSI IC。与 あずか 之 これ 前 ぜん SSI和 わ MSI的 てき 祖先 そせん 相 しょう 比 ひ ,PDP-11的 てき 第 だい 一 いち 个LSI产品包含 ほうがん 了 りょう 一 いち 个只用 よう 了 りょう 4个LSI IC的 てき CPU。[ 4]
晶 あきら 体 からだ 管 かん 计算机 つくえ 有 ゆう 许多前 まえ 一代产品沒有的优点。除 じょ 了 りょう 可 か 靠 もたれ 度 ど 与 あずか 低 てい 耗电量 りょう 之 の 外 そと ,由 ゆかり 于晶体 からだ 管 かん 的 てき 状 じょう 态转换时间比继电器 き 和 わ 真空 しんくう 管 かん 短 たん 得 とく 多 た ,CPU也就拥有更 さら 快 かい 的 てき 速度 そくど 。得 とく 益 えき 于可靠 もたれ 度 ど 的 てき 提 ひさげ 升 ます 和 かず 晶 あきら 体 からだ 管 かん 转换器 き 切 きり 换时间的缩短,CPU的 てき 时钟频率在 ざい 此时期 き 达到十 じゅう 几百 ひゃく 万 まん 赫兹。另外,由 ゆかり 于分立 ぶんりつ 晶 あきら 体 からだ 管 かん 与 あずか IC CPU的 てき 使用 しよう 量 りょう 大增 おおます ,新 しん 的 てき 高性能 こうせいのう 设计,例 れい 如SIMD (单指令 れい 多数 たすう 据 すえ )、向 むかい 量 りょう 处理机 つくえ 开始出 で 现。这些早期 そうき 的 てき 实验性 せい 设计,刺激 しげき 了 りょう 之 の 后 きさき 超 ちょう 级计算 さん 机 つくえ (例 れい 如克 かつ 雷 かみなり 公司 こうし )的 てき 崛起。
中央 ちゅうおう 處理 しょり 器 き 操作 そうさ 原理 げんり
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CPU的 てき 主要 しゅよう 运作原理 げんり ,不 ふ 论其外觀 がいかん ,都 みやこ 是 ただし 执行储存于被称 しょう 为程序 じょ 裡 うら 的 てき 一 いち 系列 けいれつ 指令 しれい 。在 ざい 此討论的是 ぜ 遵循普遍 ふへん 的 てき 馮·諾 だく 伊 い 曼結構 けっこう (von Neumann architecture)设计的 てき 装置 そうち 。程 ほど 序 じょ 以一系列数字储存在计算机記憶 きおく 體 たい 中 なか 。差 さ 不 ふ 多 た 所有 しょゆう 的 てき 冯·诺伊曼CPU的 てき 运作原理 げんり 可分 かぶん 为四个階段 かいだん :提 ひっさげ 取 ど 、解 かい 碼 、执行 和 わ 写 うつし 回 かい 。
第 だい 一 いち 階段 かいだん ,提 ひっさげ 取 ど ,从程序 じょ 内 ない 存 そん 中 ちゅう 檢索 けんさく 指令 しれい (为数值或一 いち 系列 けいれつ 数 すう 值)。由 ゆかり 程 ほど 序 じょ 計数 けいすう 器 き 指定 してい 程 ほど 序 じょ 記憶 きおく 體 たい 的 てき 位置 いち ,程 ほど 序 じょ 計数 けいすう 器 き 保存 ほぞん 供 きょう 識別 しきべつ 目前 もくぜん 程 ほど 序 じょ 位置 いち 的 てき 数 すう 值。换言之 の ,程 ほど 序 じょ 計数 けいすう 器 き 記錄 きろく 了 りょう CPU在 ざい 目前 もくぜん 程 ほど 序 じょ 裡 うら 的 てき 蹤跡。提 ひっさげ 取 ど 指令 しれい 之 の 后 きさき ,PC根據 こんきょ 指令 しれい 式 しき 長 ちょう 度 ど 增加 ぞうか 記憶 きおく 體 たい 單元 たんげん [ 註 3] 。指令 しれい 的 てき 提 ひっさげ 取 ど 常常 つねづね 必须从相对较慢的記憶 きおく 體 たい 尋 ひろ 找,导致CPU等 とう 候 こう 指令 しれい 的 てき 送 おく 入 いれ 。这个问题主要 しゅよう 被 ひ 论及在 ざい 現代 げんだい 处理器 き 的 てき 快 かい 取 と 和 わ 管 かん 線 せん 化 か 架 か 构(见下)。
CPU根據 こんきょ 从記憶 きおく 體 たい 提 ひっさげ 取 ど 到 いた 的 てき 指令 しれい 来 らい 決定 けってい 其执行 ぎょう 行 ぎょう 为。在 ざい 解 かい 碼階段 かいだん ,指令 しれい 被 ひ 拆解为有意義 いぎ 的 てき 片 かた 段 だん 。根據 こんきょ CPU的 てき 指令 しれい 集 しゅう 架 か 构 (ISA )定義 ていぎ 将 しょう 数 すう 值解譯 やく 为指令 れい [ 註 4] 。一部分 いちぶぶん 的 てき 指令 しれい 数 すう 值为运算碼 ,其指示 しじ 要 よう 进行哪些运算。其它的 てき 数 すう 值通常 つうじょう 供給 きょうきゅう 指令 しれい 必要 ひつよう 的 てき 資 し 訊,諸 しょ 如一个加法 かほう 运算的 てき 运算目 め 标。这样的 てき 运算目 め 标也许提供 ていきょう 一 いち 个常数 すう 值(即 そく 立 たて 即 そく 值),或 ある 是 ぜ 一个空間的定址值:暫存器 き 或 ある 記憶 きおく 體位 たいい 址 し ,以定 じょう 址 し 模 も 式 しき 決定 けってい 。在 ざい 舊 きゅう 的 てき 设计中 ちゅう ,CPU裡 うら 的 てき 指令 しれい 解 かい 碼部分 ぶぶん 是 ぜ 無法 むほう 改 あらため 变的硬 かた 体 からだ 装置 そうち 。不 ふ 过在眾多抽象 ちゅうしょう 且复杂的CPU和 わ ISA中 ちゅう ,一 いち 个微 ほろ 程 ほど 序 じょ 时常用 よう 来 らい 幫助转换指令 しれい 为各種 かくしゅ 形態 けいたい 的 てき 訊号。这些微 ほろ 程 ほど 序 じょ 在 ざい 已 やめ 成 なり 品 ひん 的 てき CPU中 ちゅう 往往 おうおう 可 か 以重写 うつし ,方便 ほうべん 变更解 かい 碼指令 しれい 。
在 ざい 提 ひっさげ 取 ど 和解 わかい 碼階段之 だんし 后 きさき ,接 せっ 著 ちょ 进入执行 階段 かいだん 。該階段中 だんなか ,連接 れんせつ 到 いた 各種 かくしゅ 能 のう 夠进行 ぎょう 所 しょ 需运算 さん 的 てき CPU部 ぶ 件 けん 。例 れい 如,要求 ようきゅう 一 いち 个加法 ほう 运算,算 さん 术逻辑单元 もと 将 しょう 会 かい 連接 れんせつ 到 いた 一组輸入和一组輸出。輸入 ゆにゅう 提供 ていきょう 了 りょう 要 よう 相 あい 加 か 的 てき 数 すう 值,而且在 ざい 輸出 ゆしゅつ 将 はた 含有 がんゆう 總和 そうわ 结果。ALU内含 ないがん 電路 でんろ 系統 けいとう ,以于輸出 ゆしゅつ 端 はし 完成 かんせい 简单的 てき 普通 ふつう 运算和 わ 逻辑运算(比 ひ 如加法 ほう 和 わ 位 くらい 元 もと 运算 )。如果加法 かほう 运算產 さん 生 せい 一 いち 个对該CPU处理而言过大的 てき 结果,在 ざい 标誌暫存器 き 裡 うら ,溢出 标誌可能 かのう 会 かい 被 ひ 設置 せっち (參 まいり 见以下 か 的 てき 数 すう 值精度 せいど 探 さがせ 討)。
最 さい 终階段 かいだん ,写 うつし 回 かい ,以一定格式将执行階段的结果简单的写回。运算结果经常被 ひ 写 うつし 进CPU内部 ないぶ 的 てき 暫存器 き ,以供隨 ずい 后 きさき 指令 しれい 快速 かいそく 存 そん 取 と 。在 ざい 其它案 あん 例 れい 中 ちゅう ,运算结果可能 かのう 写 うつし 进速度 そくど 较慢,如容量 りょう 较大且较便宜 べんぎ 的 てき 主 しゅ 記憶 きおく 體 たい 。某 ぼう 些类型 がた 的 てき 指令 しれい 会 かい 操作 そうさ 程 ほど 序 じょ 計数 けいすう 器 き ,而不直接 ちょくせつ 產 さん 生 せい 结果資料 しりょう 。这些一般 いっぱん 稱 しょう 作 さく 「跳 とべ 轉 てん 」並 なみ 在 ざい 程 ほど 序 じょ 中 ちゅう 帶 たい 来 らい 循環 じゅんかん 行 くだり 为、條件 じょうけん 性 せい 执行(透 とおる 过條件 じょうけん 跳 とべ 轉 てん )和 わ 函 はこ 式 しき [ 註 5] 。许多指令 しれい 也会改 あらため 变标誌 し 暫存器 き 的 てき 状 じょう 态位元 もと 。这些标誌可用 かよう 来 らい 影響 えいきょう 程 ほど 序 じょ 行 ぎょう 为,緣由 えんゆ 于它们时常 つね 显出各種 かくしゅ 运算结果。例 れい 如,以一个「比 ひ 较」指令 しれい 判斷 はんだん 兩 りょう 个值的 てき 大小 だいしょう ,根據 こんきょ 比 ひ 较结果 はて 在 ざい 标誌暫存器 き 上 じょう 設置 せっち 一 いち 个数值。这个标誌可 か 藉由隨 ずい 后 きさき 的 てき 跳 とべ 轉 てん 指令 しれい 来 らい 決定 けってい 程 ほど 序 じょ 动向。
在 ざい 执行指令 しれい 並 なみ 写 うつし 回 かい 结果資料 しりょう 之 の 后 きさき ,程 ほど 序 じょ 計数 けいすう 器 き 的 てき 值会遞增 ていぞう ,反覆 はんぷく 整 せい 个过程 ほど ,下 した 一个指令周期正常的提取下一个順序指令。如果完成 かんせい 的 てき 是 ぜ 跳 とべ 轉 てん 指令 しれい ,程 ほど 序 じょ 計数 けいすう 器 き 将 しょう 会 かい 修 おさむ 改 あらため 成 なり 跳 とべ 轉 うたて 到 いた 的 てき 指令 しれい 位 い 址 し ,且程序 じょ 繼續 けいぞく 正常 せいじょう 执行。许多复杂的 てき CPU可 か 以一次提取多个指令、解 かい 碼,並 なみ 且同时执行 ぎょう 。这个部分 ぶぶん 一 いち 般涉及「經典 きょうてん RISC管 かん 線 せん 」,那 な 些实際 ぎわ 上 じょう 是 ぜ 在 ざい 眾多使用 しよう 简单CPU的 てき 電子 でんし 装置 そうち 中 ちゅう 快速 かいそく 普及 ふきゅう (常 つね 称 しょう 为微 ほろ 控 ひかえ 制 せい 器 き )[ 註 6] 。
CPU数字 すうじ 表示 ひょうじ 方法 ほうほう 是 ぜ 一个设计上的选择,这个选择影 かげ 响了设备的 てき 工作 こうさく 方式 ほうしき 。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 じゅう 进制 (基 もと 于10进位)記數 きすう 系統 けいとう 数字 すうじ 。还有一些罕见的计算机使用三 さん 进制表示 ひょうじ 数字 すうじ 。几乎所有 しょゆう 的 てき 现代的 てき CPU使用 しよう 二 に 进制系 けい 统来 らい 表示 ひょうじ 数字 すうじ ,这样数字 すうじ 可 か 以用具有 ぐゆう 两个值的物理 ぶつり 量 りょう 来 らい 表示 ひょうじ ,例 れい 如高低 こうてい 电平 [ 註 7] 等 ひとし 等 ひとし 。
MOS 6502 微 ほろ 处理器 き ,双 そう 列 れつ 直 ちょく 插式封 ふう 装 そう 格式 かくしき ,一 いち 种非常 ひじょう 流行 りゅうこう 的 てき 8位 い 芯 しん 片 へん
与 あずか 数表示 すうひょうじ 相 しょう 关的是 ぜ 一 いち 个CPU可 か 以表示 ひょうじ 的 てき 数 すう 的 てき 大小 だいしょう 和 わ 精度 せいど ,在 ざい 二 に 进制CPU情 じょう 形 がた 下 か ,一 いち 个位 くらい (bit)指 ゆび 的 てき 是 ぜ CPU处理的 てき 数 すう 中 ちゅう 的 てき 一个有意义的位,CPU用 よう 来 らい 表示 ひょうじ 数 すう 的 てき 位 い 数量 すうりょう 常常 つねづね 被 ひ 称 しょう 作 さく “字 じ 长 ”、“位 い 宽”、“数 かず 据 すえ 通路 つうろ 宽度”,或 ある 者 もの 当 とう 严格地 ち 涉 わたる 及到整数 せいすう (与 あずか 此相对的是 ぜ 浮点数 すう )时,称 しょう 作 さく “整数 せいすう 精度 せいど ”,该数量 すうりょう 因 いん 体系 たいけい 结构而异,且常常 つね 在 ざい 完全 かんぜん 相 しょう 同 どう 的 てき CPU的 てき 不同 ふどう 部 ぶ 件 けん 中 ちゅう 也有 やゆう 所 しょ 不同 ふどう 。例 れい 如:一 いち 个8位 い 的 てき CPU可 か 处理在 ざい 八个二进制数码(每 まい 个数码具有 ぐゆう 两个可能 かのう 的 てき 取 と 值,0或 ある 1)表示 ひょうじ 范围内的 ないてき 数 すう ,也就是 ぜ 说,28 或 ある 256个离散的 てき 数 すう 值。 实际上 じょう ,整数 せいすう 精度 せいど 在 ざい CPU可 か 执行的 てき 软件所 しょ 能 のう 利用 りよう 的 てき 整数 せいすう 取 と 值范围上设置了 りょう 硬 かた 件 けん 限 げん 制 せい 。[ 註 8]
整数 せいすう 精度 せいど 也可影 かげ 响到CPU可 か 寻址 (定 じょう 址 し )的 てき 内 ない 存 そん 数量 すうりょう 。譬 たとえ 如,如果二 に 进制的 てき CPU使用 しよう 32位 くらい 来 らい 表示 ひょうじ 内 ない 存 そん 地 ち 址 し ,而每一个内存地址代表一个八位元组,CPU可 か 定位 ていい 的 てき 容量 ようりょう 便 びん 是 ぜ 232 个位元 もと 组或4GB 。以上 いじょう 是 ぜ 简单描述的 てき CPU地 ち 址 し 空 そら 间 ,通常 つうじょう 实际的 てき CPU设计使用 しよう 更 さら 为复杂的寻址方法 ほうほう ,例 れい 如为了 りょう 以同样的整数 せいすう 精度 せいど 寻址更 さら 多 た 的 てき 内 ない 存 そん 而使用 しよう 分 ぶん 页技 わざ 术。
更 さら 高 だか 的 てき 整数 せいすう 精度 せいど 需要 じゅよう 更 さら 多 た 线路以支持 しじ 更 さら 多 た 的 てき 数字 すうじ 位 い 元 もと ,也因此结构更复杂、更 さら 巨大 きょだい 、更 さら 花 はな 费能源 げん ,也通常 つうじょう 更 さら 昂 のぼる 贵。因 よし 此尽管 かん 市 し 面 めん 上 じょう 有 ゆう 许多更 さら 高 だか 精 せい 准 じゅん 度 ど 的 てき CPU(如16,32,64甚至128位 い ),但 ただし 依然 いぜん 可 か 见应用 よう 软件执行在 ざい 4或 ある 8位 い 的 てき 微 ほろ 控 ひかえ 制 せい 器 き 上 うえ 。越 えつ 简单的 てき 微 ほろ 控 ひかえ 制 せい 器 き 通常 つうじょう 较便宜 べんぎ ,花 はな 费较少 しょう 能 のう 源 げん ,也因此产生 せい 较少热量。这些都 と 是 ぜ 设计电子设备的 てき 主要 しゅよう 考量 こうりょう 。然 しか 而,在 ざい 专业级的应用上 じょう ,额外的 てき 精度 せいど 给予的 てき 效 こう 益 えき (大 だい 多 た 是 ぜ 给予额外的 てき 地 ち 址 し 空 そら 间)通常 つうじょう 显著影 かげ 响它们的设计。为了同 どう 时得到 いた 高 こう 与 あずか 低位 ていい 宽度的 てき 优点,许多CPU依 よ 照 あきら 不同 ふどう 功 こう 用 よう 将 はた 各 かく 部分 ぶぶん 设计成 なり 不 ふ 一 いち 样的位 い 宽度。例 れい 如IBM System/370 使用 しよう 一 いち 个原为32位 い 的 てき CPU,但 ただし 它在其浮点 单元使用 しよう 了 りょう 128位 い 精度 せいど ,以得到 いた 更 さら 佳 よ 的 てき 精 せい 确度与 あずか 浮点数 すう 的 てき 表示 ひょうじ 范围。[ 3] 许多后 きさき 来 らい 的 てき CPU设计使用 しよう 类似的 てき 混合 こんごう 位 い 宽,尤 ゆう 其当处理器 き 设计为通用 つうよう 用途 ようと ,因 いん 而需要 よう 合理 ごうり 的 てき 整数 せいすう 与 あずか 浮点数 すう 运算能力 のうりょく 时。
逻辑分 ぶん 析仪 显示一个同步的数据系统中的时间与状态
主 おも 頻 しき =外 そと 頻 しき ×倍 ばい 頻 しき 。
大 だい 部分 ぶぶん 的 てき CPU,甚至大 だい 部分 ぶぶん 的 てき 时序逻辑 设备,本 ほん 质上都 と 是 ぜ 同 どう 步 ふ 的 てき 。[ 註 9] 也就是 ぜ 说,它们被 ひ 设计和 わ 使用 しよう 的 てき 前 ぜん 題 だい 是 ぜ 假 かり 设都在 ざい 同一 どういつ 个同步 ふ 信号 しんごう 中 ちゅう 工作 こうさく 。这个信号 しんごう ,就是众所周知 しゅうち 的 てき 时脈訊号 ,通常 つうじょう 是 ぜ 由 よし 一 いち 个周期 き 性的 せいてき 方 ほう 波 なみ (构成)。通 つう 过计算 さん 电信号 ごう 在 ざい CPU众多不同 ふどう 电路中 ちゅう 的 てき 分 ぶん 支 ささえ 中 ちゅう 循环所 しょ 需要 じゅよう 的 てき 最大 さいだい 时间,设计者 しゃ 们可为时脈訊号 选择一 いち 个适合 あい 的 てき 周期 しゅうき 。
该周期 き 必须比 ひ 信号 しんごう 在 ざい 延 のべ 迟最大 さいだい 的 てき 情況 じょうきょう 下 か 移 うつり 动或者 しゃ 传播所 しょ 需的时间更 さら 长。设计整 せい 个CPU在 ざい 时钟信号 しんごう 的 てき 上 うえ 升 ます 沿和 わ 下降 かこう 沿附近 ふきん 移 うつり 动数据 すえ 是 ぜ 可能 かのう 的 てき 。无论是 ぜ 在 ざい 设计还是元 もと 件 けん 的 てき 维度看 み 来 らい ,均 ひとし 对简化 か CPU有 ゆう 显著的 てき 优点。同 どう 时,它也存在 そんざい CPU必须等 とう 候 こう 回 かい 应较慢元件 けん 的 てき 缺点 けってん 。此限制 せい 已 やめ 透 とおる 过多种增加 ぞうか CPU并行运算 的 てき 方法 ほうほう 下 か 被 ひ 大幅 おおはば 的 てき 补偿了 りょう 。(见下文 ぶん )
无论如何 いか ,结构上 じょう 的 てき 改良 かいりょう 无法解決 かいけつ 所有 しょゆう 同 どう 步 ふ CPU的 てき 弊 へい 病 びょう 。比 ひ 方 かた 說 せつ ,时脈訊号 易 えき 受其它的电子信号 しんごう 影 かげ 响。在 ざい 逐渐复杂的 てき CPU中 ちゅう ,越来 ごえく 越 えつ 高 だか 的 てき 时钟频率使 し 其更难与整 せい 个单元 もと 的 てき 时脈訊号 同 どう 步 ふ 。是 ぜ 故 こ 近代 きんだい 的 てき CPU傾向 けいこう 发展多 た 个相同 どう 的 てき 时脈訊号 ,以避免 めん 单一信号的延迟使得整个CPU失 しつ 灵。另一个主要的问题是,时脈訊号 的 てき 增加 ぞうか 亦 また 使 つかい 得 とく CPU产生的 てき 热能增加 ぞうか 。持 もち 续变动的时钟频率使 し 得 とく 许多元 もと 件 けん 切 きり 换(Switch)而不论它们是否 ひ 处于运作状 じょう 态。一般 いっぱん 来 らい 說 せつ ,一个处于切换状态的元件比处于静止状态还要耗费更多的能 のう 源 げん 。因 よし 此,时钟频率的 てき 增加 ぞうか 使 し 得 とく CPU需要 じゅよう 更 さら 有效 ゆうこう 率 りつ 的 てき 冷却 れいきゃく 方案 ほうあん 。
其中一个处理切换不必要元件的方法称为时脈閘控 ,即 そく 关闭对不必要 ひつよう 元 もと 件 けん 的 てき 时钟频率(有效 ゆうこう 的 てき 禁止 きんし 元 もと 件 けん )。但 ただし 此法被 ひ 认为太 ふとし 难实行 ぎょう 而不见其低 てい 耗能通用 つうよう 性 せい 。[ 註 10] 另一个对全程时钟信号的方法是同时移除时钟信号。当 とう 移 うつり 除 じょ 全 ぜん 程 ほど 时钟信号 しんごう ;使 つかい 得 とく 设计的 てき 程 ほど 序 じょ 更 さら 加 か 复杂时,非 ひ 同 どう 步 ふ (或 ある 無 な 時 とき 脈 みゃく )设计使 し 其在能 のう 源 げん 消 しょう 耗与產 さん 生 せい 熱 ねつ 能 のう 的 てき 维度上 じょう 更 さら 有 ゆう 优势。罕见的 てき 是 ぜ ,所有 しょゆう 的 てき CPU建造 けんぞう 在 ざい 沒 ぼつ 有 ゆう 利用 りよう 全 ぜん 程 ほど 时钟信号 しんごう 的 てき 狀況 じょうきょう 。兩 りょう 个值得 とく 注意 ちゅうい 的 てき 範 はん 例 れい 是 ぜ ARM ("Advanced RISC Machine")順 じゅん 从AMULET 以及MIPS R3000相 そう 容 よう MiniMIPS。与 あずか 其完全 ぜん 移 うつり 除 じょ 时脈訊号 ,部 ぶ 份CPU的 てき 设计允 まこと 许一定 いってい 比例 ひれい 的 てき 装置 そうち 不同 ふどう 步 ふ ,比 ひ 方 かた 說 せつ 使用 しよう 不同 ふどう 步 ふ 算術 さんじゅつ 邏輯單元 たんげん 連接 れんせつ 超 ちょう 純量 じゅんりょう 管 かん 線 せん 以達成 たっせい 一部份的算術效能增进。在 ざい 不 ふ 将 しょう 时脈訊号 完全 かんぜん 移 うつり 除 じょ 的 てき 情況 じょうきょう 下 か ,不同 ふどう 步 ふ 的 てき 设计可 か 使 し 其表現出 げんしゅつ 比 ひ 同 どう 步 ふ 計数 けいすう 器 き 更 さら 少 すくな 的 てき 数学 すうがく 运算。因 よし 此,结合了 りょう 不同 ふどう 步 ふ 设计極 ごく 佳 けい 的 てき 能 のう 源 げん 耗损量 りょう 及熱能 のう 產 さん 生 せい 率 りつ ,使 つかい 它更適合 てきごう 在 ざい 嵌入 かんにゅう 式 しき 计算机 つくえ 上 うえ 运作。[ 5]
低 てい 标量CPU的 てき 运算过程示 しめせ 意 い 。注意 ちゅうい 其需要 じゅよう 15个循環 じゅんかん 以完成 かんせい 三 さん 个指令 れい
前面 ぜんめん 描述的 てき CPU结构只 ただ 能 のう 在 ざい 同 どう 一时间点执行一个指令 しれい ,这种类型的 てき CPU被 ひ 称 しょう 为低 てい 标量 。
这一类型的 てき CPU有 ゆう 一 いち 很大的 てき 缺点 けってん :效率 こうりつ 低 ひく 。由 よし 于只能 のう 执行一 いち 个指令 れい ,此类的 てき 进程給与 きゅうよ 低 てい 标量CPU固有 こゆう 的 てき 低 てい 效能 こうのう 。由 よし 于每次 じ 僅有一个指令能夠被执行,CPU必须等 とう 到 いた 上 うわ 个指令 れい 完成 かんせい 才能 さいのう 繼續 けいぞく 执行。如此便 びん 造成 ぞうせい 下 か 标量CPU延 のべ 宕在需要 じゅよう 兩 りょう 个以上 じょう 的 てき 时钟循環 じゅんかん 才能 さいのう 完成 かんせい 的 てき 指令 しれい 。即 そく 便 びん 增加 ぞうか 第 だい 二 に 个执行 ぎょう 單元 たんげん (见下文 ぶん )也不会 かい 大幅 おおはば 提 ひさげ 升 ます 效能 こうのう ;除 じょ 了 りょう 單 たん 一通道的延宕以外,雙 そう 通 どおり 道 どう 的 てき 延 のべ 宕及未 み 使用 しよう 的 てき 晶 あきら 体 からだ 管 かん 数量 すうりょう 亦 また 增加 ぞうか 了 りょう 。如此的 てき 设计使 し 得 え 不 ふ 论CPU可 か 使用 しよう 的 てき 資源 しげん 有 ゆう 多少 たしょう ,都 と 僅能一次运行一个指令並可能達到标量 的 てき 效能 こうのう (一个指令需一个时脈循環)。無 む 论如何 なに ,大部 おおぶ 份的效能 こうのう 均 ひとし 为下标量(一个指令需超过一个时脈循環)。
为了達成 たっせい 标量目 め 标以及更佳 けい 的 てき 效能 こうのう ,导致使 し 得 とく CPU傾向 けいこう 平行 へいこう 运算的 てき 各種 かくしゅ 设计越来 ごえく 越 えつ 多 た 。提 ひっさげ 到 いた CPU的 てき 平行 へいこう ,有 ゆう 兩 りょう 个字彙 じい 常用 じょうよう 来 らい 區分 くぶん 这些设计的 てき 技術 ぎじゅつ 。指令 しれい 平行 へいこう 处理 (I nstruction L evel P arallelism, ILP)以增加 ぞうか CPU执行指令 しれい 的 てき 速 そく 率 りつ (换句話 はなし 說 せつ ,增加 ぞうか on-die执行資源 しげん 的 てき 利用 りよう ),以及执行緒 いとぐち 平行 へいこう 处理 (T hread L evel P arallelism, TLP)目的 もくてき 在 ざい 增加 ぞうか 执行緒 いとぐち (有效 ゆうこう 的 てき 个別程 ほど 序 じょ )使 つかい 得 とく CPU可 か 以同时执行 ぎょう 。每 まい 種 たね 方法 ほうほう 均 ひとし 可 か 由 よし 其如何 なん 嵌入 かんにゅう 或 ある 相 あい 对有效 ゆうこう (对CPU的 てき 效能 こうのう )来 らい 區分 くぶん 。[ 註 11]
指令 しれい 級 きゅう 並行 へいこう (Instruction level parallelism,ILP):指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か 与 あずか 超 ちょう 純量 じゅんりょう 架 か 构
基本 きほん 的 てき 管 かん 線 せん 结构示 しめせ 意 い 。假設 かせつ 在 ざい 最 さい 佳 けい 情況 じょうきょう 下 か ,这種管 かん 線 せん 可 か 以使CPU维持标量的 てき 效能 こうのう
其中一種達成增加平行运算的方法,便 びん 是 ぜ 在 ざい 主要 しゅよう 指令 しれい 完成 かんせい 执行之 の 前 ぜん ,便 びん 进行指令 しれい 提 ひっさげ 取 ど 及解碼。这種最 さい 簡易 かんい 的 てき 技術 ぎじゅつ ,我 わが 們称为指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か ,且其被 ひ 利用 りよう 在 ざい 泰 やすし 半 はん 現代 げんだい 的 てき 泛用CPU中 ちゅう 。透 とおる 过分解 ぶんかい 执行通 どおり 道 どう 至 いたり 離散 りさん 階段 かいだん ,指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か 可 か 以兩个以上 じょう 的 てき 指令 しれい 同 どう 时执行 ぎょう 。相 あい 较于已 やめ 被 ひ 淘汰 とうた 的 てき 组合管 かん 線 せん ,指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か 不 ふ 再 さい 使用 しよう 等 とう 候 こう 指令 しれい 完全 かんぜん 在 ざい 管 かん 線 せん 中 ちゅう 退出 たいしゅつ 才 ざい 执行下 か 一 いち 指令 しれい 的 てき 技術 ぎじゅつ 。
指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か 產 さん 生 せい 了 りょう 下 か 一作業需要前一作業才可完成的可能性。此类狀況 じょうきょう 又 また 常 つね 称 しょう 为相依 よ 衝突 しょうとつ 。解決 かいけつ 的 てき 方法 ほうほう 是 ぜ ,对此类的情況 じょうきょう 增加 ぞうか 额外的 てき 注意 ちゅうい ,及在相 しょう 依 よ 衝突 しょうとつ 发生时延遲 おそ 一部 いちぶ 份的指令 しれい 。自然 しぜん 地 ち ,此種解決 かいけつ 方法 ほうほう 需要 じゅよう 额外的 てき 循環 じゅんかん ,是 ぜ 故 こ 指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か 的 てき 处理器 き 比 ひ 低 てい 标量处理器 き 还要复杂。(虽然不 ふ 是 ぜ 很显著 ちょ )一个指令管線化的处理器的效能可能十分接近标量,只 ただ 需禁止 きんし 管 かん 線 せん 推遲即 そく 可 か 。(在 ざい 一个階段需要超过一个以上的循環的指令)
简单的 てき 上 じょう 标量管 かん 線 せん 。藉由同 どう 时提取 と 和 わ 分派 ぶんぱ 兩 りょう 个指令 れい ,能 のう 夠在一个时脈循環中完成最多兩个指令
此外,对于指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か 的 てき 改 あらため 进啟发了減少 げんしょう CPU元 もと 件 けん 閒 あいだ 置 おけ 时间的 てき 技術 ぎじゅつ 。称 しょう 为超 ちょう 标量的 てき 设计包括 ほうかつ 了 りょう 一條長指令管線化及多个相同的执行單元。上 うえ 标量管 かん 線 せん 的 てき 分派 ぶんぱ 器 き 同 どう 时讀取 よみと 及通过数个指令 れい ;分派 ぶんぱ 器 き 決定 けってい 指令 しれい 是 ぜ 否 ひ 能 のう 夠平行 へいこう 执行(同 どう 时执行 ぎょう )並 なみ 分配 ぶんぱい 到 いた 可 か 执行的 てき 执行單元 たんげん 。大 だい 致上来 らい 說 せつ ,一 いち 个上标量的 てき CPU能 のう 夠同时分派 ぶんぱ 越 えつ 多 た 的 てき 指令 しれい 給 きゅう 閒 あいだ 置 おけ 的 てき 执行單元 たんげん ,就能夠完成 かんせい 越 えつ 多 た 的 てき 指令 しれい 。
上 うえ 标量CPU结构的 てき 设计中 ちゅう ,最 さい 困難 こんなん 的 てき 部 ぶ 份便是 ぜ 創造 そうぞう 一 いち 个有效率 こうりつ 的 てき 分派 ぶんぱ 器 き 。分派 ぶんぱ 器 き 必须能 のう 夠快速 そく 且正確 かく 的 てき 決定 けってい 指令 しれい 是 ぜ 否 ひ 能 のう 夠平行 へいこう 执行,並 なみ 且讓閒 あいだ 置 おけ 的 てき 执行單元 たんげん 最小 さいしょう 化 か 。其需要 よう 指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か 常 つね 时的充滿 じゅうまん 指令 しれい 流 りゅう ,且提升 ます 了 りょう 在 ざい 上 うえ 标量结构中 ちゅう 一定 いってい 数量 すうりょう 的 てき CPU快 かい 取 と 。其亦催生了 りょう 危害 きがい 迴避的 てき 技術 ぎじゅつ ,如分 ぶん 支 ささえ 預 あずか 測 はか 、投機 とうき 执行与 あずか 跨 またが 序 じょ 执行 以维持 じ 高層 こうそう 次 じ 的 てき 效能 こうのう 。藉由嘗試預 あずか 測 はか 特定 とくてい 的 てき 指令 しれい 選擇 せんたく 何 なん 分 ふん 支 ささえ (路 みち 徑 みち ),CPU能 のう 夠最小 さいしょう 化 か 整 せい 个指令 しれい 管 かん 線 せん 等 とう 待 まち 特定 とくてい 的 てき 指令 しれい 完成 かんせい 的 てき 次数 じすう 。投機 とうき 执行則 そく 是 ぜ 藉著执行部 ぶ 份的指令 しれい 以得知 ち 其是否 いや 在 ざい 整 せい 个作業 さぎょう 完成 かんせい 后 きさき 仍被需要 じゅよう 而提供 ていきょう 適度 てきど 的 てき 效能 こうのう 提 ひさげ 升 ます 。跨 またが 序 じょ 执行則 そく 是重 これしげ 新 しん 整理 せいり 指令 しれい 执行的 てき 命令 めいれい 以降 いこう 低 てい 資料 しりょう 相 しょう 依 よ 。
当 とう 不 ふ 是 ぜ 所有 しょゆう 的 てき CPU元 もと 件 けん 均 ひとし 有 ゆう 上 じょう 标量效能 こうのう 时,未 ひつじ 達 たち 上 じょう 标量的 てき 元 もと 件 けん 效能 こうのう 便 びん 会 かい 因 いん 定 てい 序 じょ 推遲而降低 ひく 。奔腾 的 てき 原型 げんけい 有 ゆう 兩 りょう 个每一时脈循環可接收一个指令的上标量算術逻辑單元,但 ただし 其浮點 てん 算術 さんじゅつ 处理器 き (F loating P oint U nit, FPU)不能 ふのう 在 ざい 每 まい 一时脈循環接收一个指令。因 よし 此P5的 てき 效能 こうのう 只 ただ 能 のう 算 さん 是 ぜ 整数 せいすう 上 じょう 标量而非浮點上 じょう 标量。英 えい 特 とく 爾 なんじ Pentium结构的 てき 下 か 一 いち 代 だい P6 加入 かにゅう 了 りょう 浮點运算处理器 き 的 てき 上 じょう 标量能力 のうりょく ,因 いん 此在浮點指令 しれい 上 じょう 有 ゆう 显著的 てき 效能 こうのう 提 ひさげ 升 ます 。
此兩種 しゅ 简单的 てき 管 かん 線 せん 及上标量设计,均 ひとし 能 のう 透 とおる 过允许單一处理器在一个时钟循环完成一个指令[ 註 12] ,提 つつみ 升 ます 指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か 的 てき 效能 こうのう 。多数 たすう 的 てき 近代 きんだい CPU设计至 いたり 少 しょう 都 と 在 ざい 上 うえ 标量以上 いじょう ,且几乎所有 しょゆう 十 じゅう 年 ねん 内的 ないてき 泛用CPU均 ひとし 達 たち 上 じょう 标量。近年 きんねん 来 らい ,一些重視高指令管線化的计算机将其从CPU的 てき 硬 かた 体 からだ 移 うつり 至 いたり 软件。超 ちょう 長 ちょう 指令 しれい 字 じ 元 もと (的 てき 策略 さくりゃく 使 し 得 とく 一部份的指令管線化成为软件,減少 げんしょう CPU推动指令 しれい 管 かん 線 せん 化 か 的 てき 工作 こうさく 量 りょう ,並 なみ 降 くだ 低 てい 了 りょう CPU的 てき 设计复杂度 ど 。
執行 しっこう 緒 いとぐち 級 きゅう 並行 へいこう (Thread-level parallelism,TLP):同 どう 时执行 ぎょう 緒 いとぐち 执行或 ある 线程级并行 ぎょう 处理
另一个常用以增加CPU平行 へいこう 运算效能 こうのう 的 てき 策略 さくりゃく 是 ぜ 讓 ゆずる CPU有 ゆう 同 どう 时执行 ぎょう 多 た 个执行緒 いとぐち 的 てき 能力 のうりょく 。大 だい 致上說 せつ 来 らい ,高 こう 同 どう 时执行 ぎょう 緒 いとぐち 平行 へいこう 执行(TLP)CPU比 ひ 高 だか 指令 しれい 平行 へいこう 执行来 いきき 的 てき 有用 ゆうよう 。许多由 ゆかり 克 かつ 雷 かみなり 公司 こうし (Cray)公司 こうし 于1970年代 ねんだい 及1980年代 ねんだい 晚期 ばんき 所 しょ 首 くび 創 そう 的 てき 同 どう 时执行 ぎょう 緒 いとぐち 平行 へいこう 执行,專 せん 于該方法 ほうほう 而啟发了龐大的 てき 計算 けいさん 效力 こうりょく 。(就时间上而言)事 こと 实上,TLP多 た 线程运算自 じ 从1950年 ねん 就已经开始 はじめ 被 ひ 运用了 りょう (Smotherman 2005) 。在 ざい 单处理 り 器 き 设计中 ちゅう ,两种主要 しゅよう 实现TLP的 てき 设计方法 ほうほう 是 ぜ 芯 しん 片 へん 级多处理 (CMP)芯 しん 片 へん 层多线程处理和 わ 同 どう 步 ふ 多 た 執行 しっこう 緒 いとぐち (simultaneous multithreading,SMT)。同 どう 级别层多线程处理。在 ざい 更 さら 高 だか 级层中 ちゅう ,一台计算机中有多个单独的处理器,常常 つねづね 运用对称多 た 处理机 つくえ (SMP)和 わ non-uniform memory access (NUMA)非 ひ 独立 どくりつ 内 ない 存 そん 访问的 てき 方式 ほうしき 来 らい 组织。[ 註 13] 这些非常 ひじょう 不同 ふどう 的 てき 方法 ほうほう ,全部 ぜんぶ 为了实现同一 どういつ 个目标,就是增加 ぞうか CPU同 どう 时处理 り 多 た 个线程 ほど 的 てき 能力 のうりょく 。
CMP和 わ SMP这两种方法 ほう 其实是非 ぜひ 常 つね 相似 そうじ 的 てき ,而且是 ぜ 最 さい 直接的 ちょくせつてき 方法 ほうほう 。这里有 ゆう 一 いち 些概念 がいねん 上 じょう 的 てき 东西关于如何 いか 实两个或是 ぜ 两个以上 いじょう 完全 かんぜん 单独的 てき CPU。在 ざい CMP中 ちゅう ,多 た 个处理 り 器 き 内 ない 核 かく 会 かい 被 ひ 放 ひ 入 にゅう 同一 どういつ 个包中 ちゅう ,有 ゆう 时会在 ざい 非常 ひじょう 相近 すけちか 的 てき 集成 しゅうせい 电路中 なか 。[ 註 14] 另一方面 ほうめん SMP包含 ほうがん 多 た 个包在 ざい 其中,NUMA和 わ SMP很相像 ぞう ,但 ただし 是 ぜ NUMA使用 しよう 非 ひ 单一的内存访问方式。这些对于一台有着多个CPU的 てき 电脑来 らい 说是非常 ひじょう 重要 じゅうよう 的 てき ,因 いん 为每个处理 り 器 き 访问内 ない 存 そん 的 てき 时间会 かい 很快的 てき 被 ひ SMP分 ぶん 享 とおる 的 てき 模 も 块消耗掉,因 いん 些会造成 ぞうせい 很严重 じゅう 的 てき 延 のべ 迟,因 いん 为CPU要 よう 等 とう 待 まち 可用 かよう 的 てき 内 ない 存 そん .这时NUMA是 ぜ 个不错的选择,它可以允许有多 た 个CPU同 どう 时存在 そんざい 一台电脑中而且SMP也可以同时实现.SMT有 ゆう 一些不同之处,就是SMT会 かい 尽 つき 可能 かのう 的 てき 减少CPU处理能力 のうりょく 的 てき 分布 ぶんぷ 。TLP的 てき 实现实际上 じょう 和 わ 超 ちょう 标量体系 たいけい 结构的 てき 实现有 ゆう 些相似 そうじ ,其实上 じょう 它常常 つね 被 ひ 用 もちい 在 ざい 超 ちょう 标量体系 たいけい 结构处理器 き 中 ちゅう ,如IBM的 てき POWER5 。相 そう 比 ひ 于复制 せい 整 せい 个CPU,SMT会 かい 复制需要 じゅよう 的 てき 部分 ぶぶん 来 らい 提 ひっさげ 取 ど 指令 しれい ,加 か 密 みつ 和 わ 分配 ぶんぱい ,就像计算机 つくえ 中 ちゅう 的 てき 一般的寄存器一样。因 よし 此这样会使 し SMT CPU保持 ほじ 处理单位运作的 てき 连续,一 いち 些通常会 じょうかい 提供 ていきょう 给处理 り 单位多 た 个指令 れい 而且来 き 自 じ 不同 ふどう 的 てき 软件线程,这和ILP结构很相似 そうじ 。相 そう 比 ひ 于处理 り 多 た 个指令 れい 来 らい 自 じ 同一 どういつ 个线程 ほど ,它会同 どう 时处理 り 来 き 自 じ 不同 ふどう 线程的 てき 多 た 个指令 しれい 。
上面 うわつら 提 ひさげ 及过的 てき 处理器 き 都 と 是 ぜ 一 いち 些常 つね 量 りょう 儀 ぎ 器 き [ 註 15] ,而針对向量 りょう 处理的 てき CPU是 ぜ 较不常 つね 见的类型,但 ただし 它的重要 じゅうよう 性 せい 却越来 ごえく 越 えつ 高 だか 。事 こと 实上,在 ざい 计算机 つくえ 計算 けいさん 上 じょう ,向 むこう 量 りょう 处理是 ぜ 很常见的。顾名思 おもえ 義 よし ,向 むこう 量 りょう 处理器 き 能 のう 在 ざい 一 いち 个命令 めいれい 週 しゅう 期 き (one instruction)处理多項 たこう 数 すう 據 よりどころ ,这有別 べつ 于只能 のう 在 ざい 一个命令週期内处理單一数據的常量处理器。这兩種 しゅ 不同 ふどう 处理数 すう 據 よりどころ 的 てき 方法 ほうほう ,普遍 ふへん 分 ぶん 別称 べっしょう 为『單 たん 指令 しれい ,多 た 資料 しりょう 』(SIMD )及『單 たん 指令 しれい ,單 たん 資料 しりょう 』(SISD )。向 むこう 量 りょう 处理器 き 最大 さいだい 的 てき 优點就是能 これよし 夠在同 どう 一个命令週期中对不同的工作进行优化,例 れい 如:求 もとめ 一大堆数據的總和及向量的数量 すうりょう 积 ,更 さら 典型 てんけい 的 てき 例 れい 子 こ 就是多 た 媒体 ばいたい 應用 おうよう 程 ほど 序 じょ (畫像 がぞう 、影像 えいぞう 、及聲音 おん )与 あずか 及眾多 た 不同 ふどう 總 そう 类的科學 かがく 及工程 こうてい 上 じょう 的 てき 工作 こうさく 。当 とう 常 つね 量 りょう 处理器 き 只 ただ 能 のう 針 はり 对一组数據于單一命令週期内完全执行提取、解 かい 碼、执行和 わ 写 うつし 回 かい 四个階段的同时,向 こう 量 りょう 处理器 き 已 やめ 能 のう 对较大型 おおがた 的 てき 数 すう 據 よりどころ 如相同 どう 时间内 ない 执行相 しょう 同 どう 动作。当然 とうぜん ,这假設 かせつ 了 りょう 这个應用 おうよう 程 ほど 序 じょ 于單一命令週期内对处理器进行多次要求。
大 だい 多数 たすう 早期 そうき 的 てき 向 むこう 量 りょう 处理器 き ,例 れい 如Cray-1 ,大 だい 多 おお 都 と 只 ただ 会 かい 用 よう 于和科 か 研 けん 及密碼學有 ゆう 關 せき 的 てき 應用 おうよう 程 ほど 序 じょ 。但 ただし 是 ぜ ,隨 ずい 著 ちょ 多 た 媒体 ばいたい 向 こう 数 すう 位 い 媒体 ばいたい 轉移 てんい ,对于能 のう 做到『單 たん 指令 しれい ,多 た 資料 しりょう 』的 てき 普通 ふつう 用途 ようと 处理器 き 需求大 だい 增 ぞう 。于是,在 ざい 浮點計算 けいさん 器 き 普及 ふきゅう 化 か 不 ふ 久 ひさ ,擁 よう 有 ゆう 『單 たん 指令 しれい ,多 た 資料 しりょう 』功 こう 能 のう 的 てき 普通 ふつう 用途 ようと 处理器 き 便 びん 面 めん 世 よ 了 りょう 。有 ゆう 些早期 き 的 てき 『單 たん 指令 しれい ,多 た 資料 しりょう 』規格 きかく ,如英特 とく 爾 なんじ 的 てき MMX ,只 ただ 能 のう 作 さく 整数 せいすう 运算。因 よし 为大多数 たすう 要求 ようきゅう 『單 たん 指令 しれい ,多 た 資料 しりょう 』的 てき 應用 おうよう 程 ほど 序 じょ 都 と 要 よう 处理浮點 数字 すうじ ,所以 ゆえん 这个規格 きかく 对软件 けん 开发者 しゃ 無 な 疑 うたぐ 是 ぜ 一 いち 个主要 よう 障礙 しょうがい 。幸 さいわい 好 よしみ ,这些早期 そうき 的 てき 设计慢慢地 ち 被 ひ 改 あらため 进和重 おも 新 しん 设计为現时普遍 ふへん 的 てき 『單 たん 指令 しれい ,多 た 資料 しりょう 』新 しん 規格 きかく ,AMD 公司 こうし 也推出 で 了 りょう 第 だい 一个真正能执行浮點SIMD指令 しれい 集 しゅう 3DNow! ,在 ざい 每 まい 个时脈 みゃく 週 しゅう 期 き 可 か 得 え 到 いた 4个單精確 せいかく 度 ど 浮點数 すう 结果,是 ぜ 当 とう 时一般 いっぱん x87浮點处理器 き 的 てき 4倍 ばい 。新 しん 規格 きかく 通常 つうじょう 都 と 于一ISA關連 かんれん 著 ちょ 。近年 きんねん ,一些值得注意的例子一定要数英特爾的SSE 和 かず PowerPC相關 そうかん 的 てき AltiVec (亦 また 称 たたえ 为VMX)。[ 註 16]
AMD Opteron 六 ろく 核心 かくしん 處理 しょり 器 き
多核 たかく 心 こころ 中央 ちゅうおう 處理 しょり 器 き 是 ぜ 在 ざい 中央 ちゅうおう 處理 しょり 器 き 晶 あきら 片 へん 或 ある 封 ふう 裝 そう 中 ちゅう 包含 ほうがん 多 た 個 こ 處理 しょり 器 き 核心 かくしん ,以偶數 すう 為 ため 核心 かくしん 數 すう 目 もく 較為常見 つねみ ,一般 いっぱん 共用 きょうよう 二 に 级快 かい 取 と 。現今 げんこん 使用 しよう 雙 そう 核心 かくしん 和 わ 四核心以上處理器的個人電腦已相當普遍。
第 だい 一颗双核心处理器为IBM POWER4处理器 き ,2012年 ねん IBM发布了 りょう 最新 さいしん 8核心 かくしん 的 てき POWER 7+处理器 き ,拥有80MB L3缓存/芯 しん 片 へん 。
CPU的 てき 性能 せいのう 和 わ 速度 そくど 取 と 決 けつ 於时钟频率 (一般以赫茲或十億赫兹計算,即 そく hz与 あずか Ghz)和 わ 每 ごと 週 しゅう 期 き 可 か 處理 しょり 的 てき 指令 しれい (IPC),兩者 りょうしゃ 合併 がっぺい 起 おこり 來 らい 就是每秒 まいびょう 可 か 處理 しょり 的 てき 指令 しれい (IPS)。[ 6]
IPS值代表 だいひょう 了 りょう CPU在 ざい 幾 いく 種 しゅ 人工 じんこう 指令 しれい 序列 じょれつ 下 か “高峰 こうほう 期 き ”的 てき 執行 しっこう 率 りつ ,指示 しじ 和 わ 應用 おうよう 。而現實 げんじつ 中 ちゅう CPU組成 そせい 的 てき 混合 こんごう 指令 しれい 和 わ 應用 おうよう ,可能 かのう 需要 じゅよう 比 ひ IPS值顯示 けんじ 的 てき ,用 よう 更 さら 長 ちょう 的 てき 時間 じかん 來 らい 完成 かんせい 。而內存 そん 層 そう 次 じ 結構 けっこう 的 てき 性能 せいのう 也大大 だい 影響 えいきょう 中央 ちゅうおう 处理器 き 的 てき 性能 せいのう 。通常 つうじょう 工程 こうてい 師 し 便 びん 用 よう 各種 かくしゅ 已 やめ 標準 ひょうじゅん 化 か 的 てき 測 はか 試 こころみ 去 ざ 測 はか 試 ためし CPU的 てき 性能 せいのう ,已 やめ 標準 ひょうじゅん 化 か 的 てき 測 はか 試 ためし 通常 つうじょう 被 ひ 稱 しょう 為 ため “基準 きじゅん ”(Benchmarks)。如SPECint ,此軟仵試圖 ず 模擬 もぎ 現實 げんじつ 中 ちゅう 的 てき 環境 かんきょう 。測量 そくりょう 各 かく 常用 じょうよう 的 てき 應用 おうよう 程 ほど 序 じょ ,試 ためし 圖 ず 得 とく 出 で 現實 げんじつ 中 ちゅう CPU的 てき 績效。
提 ひさげ 高 だか 電腦 でんのう 的 てき 處理 しょり 性能 せいのう ,亦 また 使用 しよう 多核 たかく 心 しん 處理 しょり 器 き 。原理 げんり 基本 きほん 上 じょう 是 ぜ 一個集成電路插入兩個以上的個別處理器(意義 いぎ 上 じょう 稱 しょう 為 ため 核心 かくしん )[ 7] 。在 ざい 理想 りそう 的 てき 情況 じょうきょう 下 か ,雙 そう 核心 かくしん 處理 しょり 器 き 性能 せいのう 將 はた 是 ぜ 單 たん 核心 かくしん 處理 しょり 器 き 的 てき 兩 りょう 倍 ばい 。然 しか 而,在 ざい 現實 げんじつ 中 ちゅう ,因 いん 不 ふ 完 かん 善 ぜん 的 てき 軟件算法 さんぽう ,多核 たかく 心 しん 處理 しょり 器 き 性能 せいのう 增益 ぞうえき 遠 とお 遠 とお 低 てい 於理論 ろん ,增益 ぞうえき 只 ただ 有 ゆう 50%左右 さゆう 。但 ただし 增加 ぞうか 核心 かくしん 數量 すうりょう 的 てき 處理 しょり 器 き ,依然 いぜん 可 か 增加 ぞうか 一台計算機可以處理的工作量。這意味 あじ 著 ちょ 該處理 しょり 器 き 可 か 以處理 しょり 大量 たいりょう 的 てき 不同 ふどう 步 ふ 的 てき 指令 しれい 和 わ 事件 じけん ,可 か 分擔 ぶんたん 第 だい 一核心不堪重負的工作。有 ゆう 時 じ ,第 だい 二核心將和相鄰核心同時處理相同的任務,以防止 ぼうし 崩潰 ほうかい 。
CPU是 ぜ 计算机 つくえ 系 けい 统中的 てき 核心 かくしん 组件,负责执行各 かく 种计算 さん 和 わ 指令 しれい 操作 そうさ 。当 とう CPU运行时,它会进行大量 たいりょう 的 てき 电子计算和 わ 数 すう 据 すえ 处理操作 そうさ ,这需要 よう 电流通 どおり 过芯片 へん 内部 ないぶ 的 てき 导线和 かず 晶 あきら 体 からだ 管 かん 进行传输和 わ 开关操作 そうさ 。这个过程会 かい 导致电子之 の 间的摩擦 まさつ 和 わ 碰撞,产生能 のう 量 りょう 损耗,进而转化为热能 のう 。
另外,现代CPU在 ざい 高性能 こうせいのう 的 てき 同 どう 时也具有 ぐゆう 较高的 てき 功 こう 耗。当 とう CPU运行时,它会消耗 しょうもう 相当 そうとう 的 てき 电能,其中一部分会被转化为热能。
中央 ちゅうおう 处理器 き 大 だい 規模 きぼ 應用 おうよう 在 ざい 個人 こじん 電腦 でんのう 上 うえ ,現今 げんこん 電腦 でんのう 可 か 進入 しんにゅう 家庭 かてい 。全 ぜん 因 いん 集成 しゅうせい 電路 でんろ 的 てき 發展 はってん ,令 れい PC在 ざい 大小 だいしょう 、性能 せいのう 以及價 か 位 い 等 とう 多 た 個 こ 方面 ほうめん 均 ひとし 有 ゆう 長足 ちょうそく 的 てき 進步 しんぽ 。現今 げんこん 中央 ちゅうおう 处理器 き 價 か 錢 ぜに 平 ひらた 宜 よろし ,用 よう 戶 と 可 か 自 じ 行 くだり 組 ぐみ 裝 そう 個人 こじん 電腦 でんのう 。主 おも 機 き 板 いた 等 とう 主要 しゅよう 電腦 でんのう 元 もと 件 けん ,均 ひとし 配合 はいごう 中央 ちゅうおう 处理器 き 設計 せっけい 。不同 ふどう 類型 るいけい 的 てき 中央 ちゅうおう 处理器 き 安 あん 裝 そう 到 いた 主 しゅ 機 き 板 ばん 上 じょう 不同 ふどう 類型 るいけい 的 てき CPU插槽中 ちゅう (如英 えい 特 とく 爾 なんじ 的 てき LGA 1700 、超 ちょう 微 ほろ 半導體 はんどうたい 的 てき Socket AM5 ),令 れい 中央 ちゅうおう 處理 しょり 器 き 變 へん 得 どく 更 さら 省 しょう 電 でん ,溫度 おんど 更 さら 低 ひく 。大 だい 多數 たすう IBM PC兼 けん 容 よう 機 き (Pentium以後 いご 被 ひ 稱 しょう 為 ため 「標準 ひょうじゅん PC」(Standard PC))使用 しよう x86架 か 構的处理器 き ,他 た 們主要 よう 由 ゆかり 英 えい 特 とく 爾 なんじ 和 わ 超 ちょう 微 ほろ 半導體 はんどうたい 兩家 りょうけ 公司 こうし 生産 せいさん ,此外威 い 盛 もり 電子 でんし 也有 やゆう 參與 さんよ 中央 ちゅうおう 处理器 き 的 てき 生產 せいさん 。但 ただし 與 あずか IBM PC兼 けん 容 よう 機 き 不同 ふどう ,在 ざい 2006年 ねん 之 の 前 ぜん 蘋果電腦 でんのう 所 しょ 使用 しよう 的 てき 處理 しょり 器 き 一 いち 直 ちょく 是 ぜ IBM PowerPC RISC,之 これ 後 ご 的 てき 蘋果電腦 でんのう 轉 てん 而採用 さいよう 英 えい 特 とく 爾 なんじ 的 てき 處理 しょり 器 き ,以及EFI韌體。可 か 見 み 中央 ちゅうおう 处理器 き 在 ざい 現代 げんだい 電腦 でんのう 的 てき 重要 じゅうよう 地位 ちい 。[來 らい 源 みなもと 請求 せいきゅう ]
以下 いか 公司 こうし 曾經或 ある 正 ただし 在 ざい 生產 せいさん 中央 ちゅうおう 處理 しょり 器 き ;包含 ほうがん 已 やめ 經 けい 倒 たおせ 閉、退出 たいしゅつ 市場 いちば 或 ある 被 ひ 併購的 てき 公司 こうし 。
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