计算机硬件综述

计算机硬件综述

徐光林整理

一、CPU

1．简介：

CPU全称为Center Processing Unit，即中央处理器。它好比是计算机的大脑，计算机中几乎所有的数据都要经过它处理。

提示：采用DMA（Direct Memory Access，直接存储器存取）方式，数据可以不经过CPU的处理就直接在存储器和输入输出设备之间进行传输。

2．组成部分及功能：

图1-1 8086的逻辑结构

BIU(总线接口部件)：从内存中取数据送给EU,并把EU处理好的数据送到内存。

ALU(Arithmetic and Logic Unit，算术逻辑运算器)：完成算术或逻辑运算EU（执行部件）控制器：产生控制信号来控制各个部件，完成取指和执行指令等操作。

分析和执行指令寄存器：用来保存计算所需数据和中间结果，具有极快的读写速度，数量很少。

（8086是PC的CPU家族中最简单的处理器）

通常的处理过程是：BIU从内存中读取指令和数据，送到EU，其中指令部分送到控制器进行译码、执行，数据部分送到ALU进行运算，最后的处理结果又送回内存中去。

从386开始，CPU的物理结构（元件的组成和实际布局）要较8086的复杂很多，但其逻辑结构（按功能抽象出来的结构）仍然和8086的相同。

486以后的CPU，由于时钟频率高于内存的时钟频率，所以在两者之间设置了缓存。

缓存又分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache），先前一级缓存做在CPU中，二级缓存做在主板上，后来为了提高CPU速度，把二级缓存也集成到了CPU的内部，以CPU同速或半速运行。CPU的高速缓存属于SRAM（参见第三章内存：3.内存的工作原理）。

FPU（Floationg Point Unit，浮点运算单元）是计算机中为提高浮点数据处理能力而增加的一块单独的芯片，称为数字协处理器（numeric coprocessor），例如Intel 80287和Intel 80387。从Intel 486处理器开始，FPU也集成到CPU之内了。

3．封装和插座：

封装起着安装、密封、保护芯片及增强散热等作用。封装的不断改进实际上是要在同样的面积上安排更多的引脚。封装形式有以下几种：

●PLCC：引脚在CPU的四个边上，像286这种引脚很少的CPU采用了这种封装。

●SECC（单边接触卡式封装）、SEPP（单边处理器封装）：在CPU的发展史上曾一度出现，

实际上这只能看作是一种转接卡，CPU芯片实际上是BGA封装的，CPU焊接到了一块PCB（印刷电路板）上，PCB就成为CPU和主板之间的连接。PentiumⅡ和部分Pentium Ⅲ是采用此种封装。

●PGA（针状栅格阵列）：这是大多数CPU采用的封装形式。它与BGA的区别在于它的引

脚是针状的，便于反复插拔。这种封装的CPU根据其引脚数目的不同，对应的插座也不相同。如Socket 478有478个引脚，而Socket 423有423个引脚。

●BGA（球状栅格阵列）：笔记本电脑的CPU很少使用插座，因为它几乎不存在更换的可

能，所以通常使用BGA封装直接焊接在PCB上，此种封装只能由专门的设备焊接和拆

下。

从386向后，主板通常能够支持多种不同频率的CPU，为了方便更换CPU，于是在主板上放置CPU的位置就焊上插座，但早期的CPU插座使用起来很不方便，容易损坏CPU 的针脚。现在则使用了零插拔力插座（ZIP，Zero Force Insertion Socket），零插拔力插座设计上很特殊，普通用户也可以轻松的安装或取下CPU。

4．CPU的主要参数：

①主频：CPU自身工作的时钟频率，是衡量它到底运行得有多快的一个标志；

②外频：CPU与外部交换数据的时钟频率，也就是主板的运行频率（即系统频率）；

③外部数据总线宽度：外部数据总线的位数越多，也就意味着在同一时钟周期内发

送的数据位数就越多，数据量也就越大。

④内部数据总线宽度：CPU内部进行数据交换时的位宽。

Pentium处理器有64位外部数据总线，但是仍然是一个32位的处理器，因为它的内部寄存器、内部数据总线和运行的指令都是32位。Pentium处理器使用了所谓的超标量结构，具有两条32位的内部数据流水线，从某种意义上说就好像两个合在一起的32位处理器。最早采用超标量技术的x86处理器是Intel Pentium处理器，以后该技术被广泛用到x86处理器中。

⑤地址总线宽度：地址总线宽度决定了CPU“可寻址空间”的大小。

可寻址空间=2地址总线宽度

例如：Pentium处理器地址总线宽度为32位，可寻址空间为232=22*230=4*10243=4G。

⑥ MIPS：指令执行速度是经典的处理器性能表示方法，常用MIPS（百万条指令执行

时间）来表示。

MIPS=Fz*IPC

Fz为CPU的主频，IPC为每个时钟周期平均执行的指令条数，时钟周期=1/主频。

但是指令执行速度也不能完全反映出处理器的真实性能。原因是：a,CPU的各个指令执行起来所需时间各有不同；b,不同指令的使用概率也不一样。

⑦高速缓存容量：一级缓存容量和二级缓存容量。

性能测试软件：ZD Labs实验室的CPUmark，SPEC CPU2000，WCPUID。

5．如何提高运算速度：

①通过提高数据总线宽度（位宽）来提高数据处理能力；

②外频不易提高，因此通过倍频电路对外频进行提升，获得几倍至几十倍于外频的

频率，这个频率叫主频；

③通过流水线作业、分支预测（Multiple Branch Prediction）和乱序执行

（Out-Of-Order Execution）等技术让每个部件都充分工作。流水线的概念估计

大家都很熟悉，这里不再多说。分支预测的功能是指遇到跳转指令就对它的结果

进行推测，从而保证流水线不发生中断，为了提高预测的命中率（准确度），CPU

采用了两条预取指令队列。流水线队列中有些指令具有独立性，先处理后处理并

不影响整个执行过程。因此当预测失误时，就取出这些具有独立性的指令，让执

行部件去执行它们，以便让执行部件充分利用工作时间，这种技术就叫做乱序执

行。

④多媒体扩展指令：在许多多媒体程序的运算过程中经常出现一些循环多次、但每

次循环处理的数据量却很小的操作。对于这种运算，如果采用CPU原先的一些指

令来完成，需要耗费大量的运算时间，因为一条指令只能处理一个数据，多次循