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卅年史詩(shī)！地球上出現(xiàn)過的CPU完全收

■CPU內(nèi)核結(jié)構(gòu)

    好吧，下面來看看CPU。CPU內(nèi)核主要分為兩部分：運(yùn)算器和控制器。

    一 運(yùn)算器

    1、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU（Arithmetic and Logic Unit）

    ALU主要完成對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算（加減乘除）、邏輯運(yùn)算（與或非異或）以及移位操作。在某些CPU中還有專門用于處理移位操作的移位器。

    通常ALU由兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。整數(shù)單元有時(shí)也稱為IEU（Integer Execution Unit）。我們通常所說的“CPU是XX位的”就是指ALU所能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)。

    2、浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU（Floating Point Unit）

    FPU主要負(fù)責(zé)浮點(diǎn)運(yùn)算和高精度整數(shù)運(yùn)算。有些FPU還具有向量運(yùn)算的功能，另外一些則有專門的向量處理單元。

    3、通用寄存器組

    通用寄存器組是一組最快的存儲(chǔ)器，用來保存參加運(yùn)算的操作數(shù)和中間結(jié)果。

    在通用寄存器的設(shè)計(jì)上，RISC與CISC有著很大的不同。CISC的寄存器通常很少，主要是受了當(dāng)時(shí)硬件成本所限。比如x86指令集只有8個(gè)通用寄存器。所以，CISC的CPU執(zhí)行是大多數(shù)時(shí)間是在訪問存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，而不是寄存器中的。這就拖慢了整個(gè)系統(tǒng)的速度。而RISC系統(tǒng)往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重疊寄存器窗口和寄存器堆等技術(shù)使寄存器資源得到充分的利用。

    對(duì)于x86指令集只支持8個(gè)通用寄存器的缺點(diǎn)，Intel和AMD的最新CPU都采用了一種叫做“寄存器重命名”的技術(shù)，這種技術(shù)使x86CPU的寄存器可以突破8個(gè)的限制，達(dá)到32個(gè)甚至更多。不過，相對(duì)于RISC來說，這種技術(shù)的寄存器操作要多出一個(gè)時(shí)鐘周期，用來對(duì)寄存器進(jìn)行重命名。

    4、專用寄存器

    專用寄存器通常是一些狀態(tài)寄存器，不能通過程序改變，由CPU自己控制，表明某種狀態(tài)。

    二 控制器

　　運(yùn)算器只能完成運(yùn)算，而控制器用于控制著整個(gè)CPU的工作。

    1、指令控制器

　　指令控制器是控制器中相當(dāng)重要的部分，它要完成取指令、分析指令等操作，然后交給執(zhí)行單元（ALU或FPU）來執(zhí)行，同時(shí)還要形成下一條指令的地址。

    2、時(shí)序控制器

    時(shí)序控制器的作用是為每條指令按時(shí)間順序提供控制信號(hào)。時(shí)序控制器包括時(shí)鐘發(fā)生器和倍頻定義單元，其中時(shí)鐘發(fā)生器由石英晶體振蕩器發(fā)出非常穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，就是CPU的主頻；而倍頻定義單元?jiǎng)t定義了CPU主頻是存儲(chǔ)器頻率（總線頻率）的幾倍。

    3、總線控制器

　　總線控制器主要用于控制CPU的內(nèi)外部總線，包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線等等。

    4、中斷控制器

　　中斷控制器用于控制各種各樣的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低對(duì)中斷請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)，逐個(gè)交給CPU處理。

    三 CPU核心的設(shè)計(jì)

    CPU的性能是由什么決定的呢？單純的一個(gè)ALU速度在一個(gè)CPU中并不起決定性作用，因?yàn)锳LU的速度都差不多。而一個(gè)CPU的性能表現(xiàn)的決定性因素就在于CPU內(nèi)核的設(shè)計(jì)。

    1、超標(biāo)量（Superscalar）

　　既然無法大幅提高ALU的速度，有什么替代的方法呢？并行處理的方法又一次產(chǎn)生了強(qiáng)大的作用。所謂的超標(biāo)量CPU，就是只集成了多個(gè)ALU、多個(gè)FPU、多個(gè)譯碼器和多條流水線的CPU，以并行處理的方式來提高性能。

　　超標(biāo)量技術(shù)應(yīng)該是很容易理解的，不過有一點(diǎn)需要注意，就是不要去管“超標(biāo)量”之前的那個(gè)數(shù)字，比如“9路超標(biāo)量”，不同的廠商對(duì)于這個(gè)數(shù)字有著不同的定義，更多的這只是一種商業(yè)上的宣傳手段。<