第3章 处理器架构CPU组成
什么是微处理器,由几部分组成
什么是微处理器,由几部分组成
微处理器是微型计算机的核心部分，又称为中央处理器(简称CPU)。
微处理器主要由控制器和运算器两部分组成（还有一些支撑电路），用以完成指令的解释与执行。
微处理器由算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logical Unit）、累加器和通用寄存器组、程序计数器（也叫指令指标器）、时序和控制逻辑部件、数据与地址锁存器/缓冲器、内部总线组成。
其中运算器和控制器是其主要组成部分。
逻辑部件：
英文Logic components；运算逻辑部件。
可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。
寄存器部件：
寄存器部件，包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。
通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。
控制部件：
英文Control unit；控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。
微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。
中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。
简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。
cpu由什么组成
cpu由什么组成cpu包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。
折叠运算逻辑部件运算逻辑部件，可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。
折叠寄存器部件寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令中的寄存器操作数和操作结果。
通用寄存器就是中央处理器的关键组成部分，大多数指令都必须出访至通用寄存器。
通用寄存器的宽度同意计算机内部的数据通路宽度，其端口数目往往可以影响内部操作方式的并行性。
专用寄存器就是为了继续执行一些特定操作方式所需以的寄存器。
控制寄存器通常用来指示机器执行的状态，或者保持某些指针，有处理状态寄存器、地址转换目录的基地址寄存器、特权状态寄存器、条件码寄存器、处理异常事故寄存器以及检错寄存器等。
有的时候，中央处理器中除了一些内存，用以暂时放置一些数据指令，内存越大，表明cpu的运算速度越慢，目前市场上的中高端中央处理器都存有2m左右的二级缓存，高端中央处理器存有4m左右的二级缓存。
折叠控制部件控制部件，主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式;一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。
微存储中维持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令;各条指令就是由相同序列的微码共同组成，这种微码序列形成微程序。
中央处理器在对指令译码以后，即为收到一定时序的掌控信号，按取值序列的顺序以微周期为节奏继续执行由这些微码确认的若干个微操作，即可顺利完成某条指令的继续执行。
直观指令就是由(3～5)个微操作共同组成，繁杂指令则必须由几十个微操作甚至几百个微操作共同组成。
(完整word版)CPU体系架构
CPU体系架构在现在的工作项目中虽然没有使用到MMU功能，但MMU是较复杂的嵌入式操作系统运行的基础。
例如Linux 就不能够运行在没有MMU的ARM7处理器上，ucLinux就是为了适应没有MMU的处理器而对Linux进行的裁剪和修改。
了解MMU基础知识，对理解编译链接，OS多进程，嵌入式系统架构等有很好的帮助。
由于该部分内容涉及到MMU硬件、CPU架构、编译链接、OS等知识，学习难度较大。
关键字MMU、TLB、多任务OS、地址空间、虚拟内存、虚拟地址/物理地址学习顺序问题的引出、虚拟地址和物理地址、虚拟内存、OS进程和MMU，MMU运行引子早期的计算机PC，或者现在使用8位/16位MCU（单片机）的嵌入式设备，程序是直接运行在物理内存上的（SDRAM 或者NOR Flash）。
所谓直接运行在物理内存上，是指程序在运行时所访问的地址都是物理地址。
例如，程序计数器PC 中的值就是预取指令所在的物理内存的地址值。
这种程序直接运行在物理内存上的方式简单，但是并不适应于复杂的系统，尤其是拥有多任务的OS。
我们首先看看原来的方式有哪些不足和缺陷。
物理内存不足。
例如，某个程序运行需要64K的内存，而机器上只有32K的物理内存。
程序运行的地址不确定。
同一个程序，每次被装载到内存的地址可能不一样。
内存使用率低。
需要运行某个程序，就需要将整个程序装入内存才能够运行。
对于多任务OS，存在进程间地址空间不隔离的问题。
这样一个任务失败了，可能会导致整个系统宕机。
于是人们就引入了虚拟内存管理（Virtual MemoryManagement）技术。
有关虚拟内存管理（Virtual Memory Management）技术在下面会有详细的介绍。
需要说明的是，上面的几点缺陷除了第一点之外，其它都是针对有OS的系统而言的。
虚拟内存管理技术的出现和操作系统的发展有本质的联系。
本节可以参考《程序员的自我修养-链接、装载与库》第1章 1.5 内存不够怎么办。
了解电脑CPU架构
了解电脑CPU架构电脑是现代社会必不可少的工具，而CPU作为电脑的核心部件，其架构直接影响计算机的性能和使用体验。
今天，我将带您深入了解电脑CPU架构，揭开其中的奥秘。
一、什么是CPU架构CPU，全称中央处理器，是计算机的核心之一。
它负责执行计算机程序的指令，并控制计算机的各项操作。
而CPU架构，指的是CPU的内部设计和组织方式，是决定CPU性能的重要因素。
二、常见的CPU架构类型1. X86架构X86架构是目前最广泛使用的CPU架构，它是英特尔公司在上世纪70年代推出的。
X86架构的代表有英特尔的酷睿系列和AMD的锐龙系列，其特点是性能强劲，广泛兼容各种软件。
2. ARM架构ARM架构是一种低功耗的CPU架构，主要应用于移动设备和嵌入式系统。
ARM架构的代表有高通的骁龙系列和苹果的A系列，其特点是能效高，性能稳定。
3. RISC架构RISC架构，全称精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computing），是指指令集简单、执行速度快的CPU架构。
RISC架构的代表有IBM的POWER系列，其特点是指令简洁高效。
4. CISC架构CISC架构，全称复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computing），是指指令集庞大、功能丰富的CPU架构。
CISC架构的代表有英特尔的x86系列，其特点是功能全面，支持复杂的指令。
三、CPU架构的影响因素1. 主频主频是CPU运行时的时钟频率，单位是赫兹（Hz）。
主频越高，CPU的计算能力越强，但同时也会产生更多的热量和电能消耗。
2. 核心数核心数指的是CPU内部的独立处理单元个数。
核心数越多，CPU 能够同时处理的任务越多，多核心的CPU在多线程应用和多任务处理上更有优势。
3. 缓存大小缓存是CPU内部的一块高速存储器，用于暂时存储数据和指令，以提高数据读取和处理效率。
缓存大小越大，CPU的运行速度越快。
第3章 32 Bit RISC微处理器 S3C2410A
总线 总线是CPU与存储器和设备通信的机制，是计算机 总线是 与存储器和设备通信的机制， 与存储器和设备通信的机制 各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。 各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。 一个微处理器系统可能含有多条总线。 一个微处理器系统可能含有多条总线。 高速设备可以连到高速总线上。 高速设备可以连到高速总线上。 低速设备可以连到低速总线上。 低速设备可以连到低速总线上。 总线互联的电路。 桥：总线互联的电路。
补充： MMU是Memory Management Unit的缩写，中文 名是内存管理单元，它是中央处理器（CPU）中 用来管理虚拟存储器、物理存储器的控制线路， 同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供 硬件机制的内存访问授权。
MMU的历史 的历史 许多年以前，当人们还在使用DOS或是更古老的操作系统的时候， 或是更古老的操作系统的时候， 许多年以前，当人们还在使用 或是更古老的操作系统的时候 计算机的内存还非常小，一般都是以K为单位进行计算 相应的， 为单位进行计算， 计算机的内存还非常小，一般都是以 为单位进行计算，相应的，当时 的程序规模也不大，所以内存容量虽然小， 的程序规模也不大，所以内存容量虽然小，但还是可以容纳当时的程 但随着图形界面的兴起还用用户需求的不断增大， 序。但随着图形界面的兴起还用用户需求的不断增大，应用程序的规 模也随之膨胀起来，终于一个难题出现在程序员的面前， 模也随之膨胀起来，终于一个难题出现在程序员的面前，那就是应用 程序太大以至于内存容纳不下该程序， 程序太大以至于内存容纳不下该程序，通常解决的办法是把程序分割 成许多称为覆盖块（ 首先运行， 成许多称为覆盖块（overlay）的片段。覆盖块 首先运行，结束时他 ）的片段。覆盖块0首先运行 将调用另一个覆盖块。虽然覆盖块的交换是由OS完成的 完成的， 将调用另一个覆盖块。虽然覆盖块的交换是由 完成的，但是必须先 由程序员把程序先进行分割，这是一个费时费力的工作， 由程序员把程序先进行分割，这是一个费时费力的工作，而且相当枯 人们必须找到更好的办法从根本上解决这个问题。 燥。人们必须找到更好的办法从根本上解决这个问题。 不久人们找到了一个办法，这就是虚拟存储器(virtual memory). 不久人们找到了一个办法，这就是虚拟存储器 虚拟存储器的基本思想是程序，数据， 虚拟存储器的基本思想是程序，数据，堆栈的总的大小可以超过物理 存储器的大小，操作系统把当前使用的部分保留在内存中， 存储器的大小，操作系统把当前使用的部分保留在内存中，而把其他 未被使用的部分保存在磁盘上。比如对一个16MB的程序和一个内存只 未被使用的部分保存在磁盘上。比如对一个 的程序和一个内存只 的机器， 有4MB的机器，操作系统通过选择，可以决定各个时刻将哪 的机器 操作系统通过选择，可以决定各个时刻将哪4M的内容 的内容 保留在内存中，并在需要时在内存和磁盘间交换程序片段， 保留在内存中，并在需要时在内存和磁盘间交换程序片段，这样就可 以把这个16M的程序运行在一个只具有 的程序运行在一个只具有4M内存机器上了。而这个 内存机器上了。 以把这个 的程序运行在一个只具有 内存机器上了 而这个16M 的程序在运行前不必由程序员进行分割。 的程序在运行前不必由程序员进行分割。
大学计算机基础第三章-微型计算机硬件组成
外部设备
大学计算机基础
大学计算机基础
3.2 微型计算机硬件系统
3.2.1 CPU 3.2.2 主板 3.2.3 存储器 3.2.4 总线与接口 3.2.5 输入/输出设备
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3.2.1 CPU
1. CPU分类 CPU组成：运算器、控制器和寄存器组，通过内部数 据总线传送信息。 CPU有通用CPU和嵌入式CPU。其区别主要在于应 用模式的不同。
- ④ 外存储器容量 指硬盘容量
- ⑤ 配置的外部设备
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3. 微型计算机的发展方向
–① 高速化 处理器主频 –② 超小型化 典型的标志是笔记本电脑和PDA
的流行。 –③ 多媒体化 全新的多、虚拟现实技术 和发展多媒体通信等。 –④ 网络化 网络计算机、具有联网功能的 PDA以及各种类型的个人计算机等正在飞速发展。 –⑤ 隐形化 今后将摆脱显示屏、键盘加主机 的传统形象，电视计算机、影音计算机等将大量 出现。
• 通用CPU追求高性能，功能比较强，能运行复杂的 操作系统和大型应用软件；
• 嵌入式CPU则强调处理特定应用问题的高性能，主 要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操 作系统，在功能和性能上有很大的变化范围。
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2.衡量CPU性能的主要技术指标
1. CPU字长 CPU内部各寄存器之间一次能够传送的数据位。即同一时间能一次处理的 二进制数的位数。下一步的主流CPU是64位。
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微机主板结构图 CPU插槽
内存插槽
芯片组 电池 总线插槽
鼠标插口 键盘插口
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图3-2.2 微机主板图
并行接口
USB接口
串行接口
1. CPU插槽
cpu主要由什么组成
cpu主要由什么组成
构成cpu的主要部件是什么？
中央处理器，简称CPU，是信息处理、程序运行的最终执行单元。
其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
它的性能主要体现在其运行程序的速度上。
1、运算器：运算器是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件，它的基本功能是完成对各种数据的加工处理，例如算术四则运算，与、或、求反等逻辑运算，算术和逻辑移位操作，比较数值等。
2、控制器：控制器是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件，它的功能是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。
3、寄存器组：寄存器是CPU内部重要的数据存储资源，是汇编程序员能直接使用的硬件资源之一、它一般用来保存程序的中间结果，为随后的指令快速提供操作数，从而避免把中间结果存入内存，再读取内存的操作。
CPU参数的认识
CPU参数的认识CPU（中央处理器）是计算机的核心部件之一，负责处理和执行计算机的指令，是计算机系统中最重要的组件之一、本文将从CPU的概念、结构、性能参数等多个方面来认识CPU。
一、概述中央处理器（CPU）是计算机的主要集成电路之一，是计算机执行指令和处理数据的核心部件。
CPU负责解释指令、进行数据运算和控制整个计算机的工作流程。
CPU的发展已经经历了多个阶段，从单核心到多核心的发展，从低频到高频的演进，不断提高了计算机的处理性能。
二、结构CPU由控制单元（Control Unit）和算数逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）组成。
1.控制单元：控制单元是计算机的指挥中心，负责解析和执行指令。
控制单元包括指令寄存器（Instruction Register，IR）、程序计数器（Program Counter，PC）和时钟等部件。
指令寄存器存放当前指令，程序计数器记录下一条指令的地址，时钟则提供时序信号以保证指令的流水执行。
2.算数逻辑单元：算数逻辑单元负责进行算术和逻辑运算。
算数逻辑单元包括算术运算器（Arithmetic Unit）、逻辑运算器（Logic Unit）和寄存器。
算术运算器执行加法、减法、乘法、除法等算术运算，逻辑运算器处理与、或、非等逻辑运算，寄存器则用于存放数据和运算结果。
三、性能参数1.主频（Clock Speed）：主频是CPU最基本的性能参数，表示每秒中执行的时钟脉冲数，也称为赫兹（Hz）。
主频越高，CPU每秒执行的指令越多，计算速度也就越快。
但主频并不是衡量CPU性能的唯一指标，它与处理器的设计和制造工艺密切相关。
2.核心数（Number of Cores）：核心数指的是CPU中心处理器内部集成的独立处理单元数量。
单核处理器只能处理一个任务，而多核处理器可以同时处理多个任务，提高系统的并行处理能力。
多核处理器可以在程序设计中通过线程的方式来充分发挥多核处理器的优势。
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3 CPU的基本功能 指令控制 控制程序的执行顺序。这是首要任务。 操作控制 产生每条指令的操作信号，送往相应的部件，并控制这些部件
按指令的要求进行动作 时间控制 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理。这是CPU的根本任务。 中断处理
h
5
3.1 CPU的功能和组成
4 CPU的基本组成 ALU 计算机的功能精髓 寄存器——用于CPU内部的数据存储 内部数据路径——用于寄存器之间以及寄存器与ALU之间的数据传送 外部数据路径——用于将寄存器连接到内存和I/O模块 控制器——引起CPU内部的操作发生
程序计数器
+1
状态字寄存器
时
译码
译码
序
地址形成部件 送M或ALU源自系统操作码
地址段(寻址方式、寄存器 号)
来自主存
h
15
3.3 操作控制器
2 微程序控制器 基本思想 将存储逻辑引入CPU，将程序设计技术引入CPU的构成级
微命令序列
指令代码 IR
运行状态 PSW
微地址 形成电路
PC
微地址寄存器
µAR
h
h
10
3.2 CPU的工作过程
1 指令的执行过程
6段指令流水线操作时序图h
FI： 取指令 DI： 指令译码 CO： 计算 操作数地址 FO： 取操作数 EI： 执行指令 WO： 写操作数
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3.2 CPU的工作过程
2 指令周期
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12
3.2 CPU的工作过程
3 时序发生器 时序信号 产生各功能部件所需要的定时控制信号。并对各种控制信号实施时间上的 严格控制。 时序发生器 用逻辑电路发出时序信号
h
13
3.2 CPU的工作过程
4 控制方式 同步控制方式 各项操作与统一的时序信号同步 异步控制方式 各项操作按其需要选择不同的时间，不受统一的时序信号约束； 各操作之间的衔接与各部件之间的信息交换采取应答方式
h
14
3.3 操作控制器
1 组合逻辑控制器 硬连线
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令序列 微操作信号发生器
h
8
3.1 CPU的功能和组成
6 操作控制器和时序发生器 微操作与数据通路 微操作 指令分解后的最基本、最简单、不可再分的操作 数据通路 寄存器间传输信息的通路
h
9
3.1 CPU的功能和组成
6 操作控制器和时序发生器 (1) 操作控制器 决定在什么时间，根据什么条件，发出什么命令，做什么操作。 为使控制器实现其功能，必须具有允许它确定系统状态的输入和允许它控 制系统行为的输出。这是控制器的外部规范。内部，控制器必须具有完成 它的排序和执行功能的逻辑。 按照微命令的形成方式，通常有两种类型的控制器： ·组合逻辑控制器 ·微程序控制器 (2) 时序信号发生器 产生各功能部件所需要的定时控制信号。对控制信号实施时间控制
译码器 微命令字段
微地址字段
微指令存储器µIR
控制存储器CM
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3.3 操作控制器
两个层次 程序员看到的传统机器级——机器指令。用机器指令编制的工作程序， 存放在主存储器中； 设计者看到的微程序级——微指令。用微指令编制的微程序，存放在控 制存储器中。
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h
6
3.1 CPU的功能和组成
5 CPU中的主要寄存器 CPU中的寄存器服务于两类功能： ·用户可见寄存器 这些寄存器允许机器语言或汇编语言程序员通过优化寄存器的使用而减少 对主存的访问 ·控制和状态寄存器 用来控制CPU的操作并被特权的操作系统程序用来控制程序的执行。
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7
3.1 CPU的功能和组成
第三章 CPU组成
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1
3.1 CPU的功能和组成
1 诺依曼机结构
Structure of von Neumann machine
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3.1 CPU的功能和组成
1 诺依曼机结构
Structure of IAS – detail
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3
3.1 CPU的功能和组成
2 CPU内部结构
h
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3.1 CPU的功能和组成