CPU性能指標(biāo)與核心結(jié)構(gòu)

性能衡量指標(biāo)對(duì)于CPU而言，影響其性能的指標(biāo)主要有主頻、 CPU的位數(shù)、CPU的緩存指令集、CPU核心數(shù)和IPC(每周期指令數(shù))。所謂CPU的主頻，指的就是時(shí)鐘頻率，它直接的決定了CPU的性能，可以通過超頻來提高CPU主頻來獲得更高性能。而CPU的位數(shù)指的就是處理器能夠一次性計(jì)算的浮點(diǎn)數(shù)的位數(shù)，通常情況下，CPU的位數(shù)越高，CPU 進(jìn)行運(yùn)算時(shí)候的速度就會(huì)變得越快。21世紀(jì)20年代后個(gè)人電腦使用的CPU一般均為64位，這是因?yàn)?4位處理器可以處理范圍更大的數(shù)據(jù)并原生支持更高的內(nèi)存尋址容量，提高了人們的工作效率。而CPU的緩存指令集是存儲(chǔ)在CPU內(nèi)部的，主要指的是能夠?qū)PU的運(yùn)算進(jìn)行指導(dǎo)以及優(yōu)化的硬程序。一般來講，CPU 的緩存可以分為一級(jí)緩存、二級(jí)緩存和三級(jí)緩存，緩存性能直接影響CPU處理性能。部分特殊職能的CPU可能會(huì)配備四級(jí)緩存。

CPU結(jié)構(gòu)通常來講，CPU的結(jié)構(gòu)可以大致分為運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。所謂運(yùn)算邏輯部件，主要能夠進(jìn)行相關(guān)的邏輯運(yùn)算，如：可以執(zhí)行移位操作以及邏輯操作，除此之外還可以執(zhí)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算操作以及地址運(yùn)算和轉(zhuǎn)換等命令，是一種多功能的運(yùn)算單元。而寄存器部件則是用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址的?？刂撇考t是主要用來對(duì)指令進(jìn)行分析并且能夠發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。對(duì)于中央處理器來說，可將其看作一個(gè)規(guī)模較大的集成電路，其主要任務(wù)是加工和處理各種數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存容量相對(duì)較小，其對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理過程中具有一定難度，且處理效果相對(duì)較低。隨著我國信息技術(shù)水平的迅速發(fā)展，隨之出現(xiàn)了高配置的處理器計(jì)算機(jī)，將高配置處理器作為控制中心，對(duì)提高計(jì)算機(jī)CPU的結(jié)構(gòu)功能發(fā)揮重要作用。中央處理器中的核心部分就是控制器、運(yùn)算器，其對(duì)提高計(jì)算機(jī)的整體功能起著重要作用，能夠?qū)崿F(xiàn)寄存控制、邏輯運(yùn)算、信號(hào)收發(fā)等多項(xiàng)功能的擴(kuò)散，為提升計(jì)算機(jī)的性能奠定良好基礎(chǔ)。 [2] 集成電路在計(jì)算機(jī)內(nèi)起到了調(diào)控信號(hào)的作用，根據(jù)用戶操作指令執(zhí)行不同的指令任務(wù)。中央處理器是一塊超大規(guī)模的集成電路。它由運(yùn)算器、控制器、寄存器等組成，如下圖，關(guān)鍵操作在于對(duì)各類數(shù)據(jù)的加工和處理。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量較小，面對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)集的操作效率偏低。新一代計(jì)算機(jī)采用高配置處理器作為控制中心，CPU在結(jié)構(gòu)功能方面有了很大的提升空間。中央處理器以運(yùn)算器、控制器為主要裝置，逐漸擴(kuò)散為邏輯運(yùn)算、寄存控制、程序編碼、信號(hào)收發(fā)等多項(xiàng)功能。這些都加快了CPU調(diào)控性能的優(yōu)化升級(jí)。 [5]

CPU總線CPU總線是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最快的總線，同時(shí)也是芯片組與主板的核心。人們通常把和CPU直接相連的局部總線叫做CPU總線或者稱之為內(nèi)部總線，將那些和各種通用的擴(kuò)展槽相接的局部總線叫做系統(tǒng)總線或者是外部總線。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較單一的CPU中，往往只設(shè)置一組數(shù)據(jù)傳送的總線即CPU內(nèi)部總線，用來將CPU內(nèi)部的寄存器和算數(shù)邏輯運(yùn)算部件等連接起來，因此也可以將這一類的總線稱之為ALU總線。而部件內(nèi)的總線，通過使用一組總線將各個(gè)芯片連接到一起，因此可以將其稱為部件內(nèi)總線，一般會(huì)包含地址線以及數(shù)據(jù)線這兩組線路。系統(tǒng)總線指的是將系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)組成部分連接在一起的線路，是將系統(tǒng)的整體連接到一起的基礎(chǔ);而系統(tǒng)外的總線，是將計(jì)算機(jī)和其他的設(shè)備連接到一起的基礎(chǔ)線路。

運(yùn)算器運(yùn)算器是指計(jì)算機(jī)中進(jìn)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作的部件， 其中算術(shù)邏輯單元是中央處理核心的部分。 [2] (1)算術(shù)邏輯單元(ALU)。算術(shù)邏輯單元是指能實(shí)現(xiàn)多組 算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算的組合邏輯電路，其是中央處理中的重要組成部分。算術(shù)邏輯單元的運(yùn)算主要是進(jìn)行二位元算術(shù)運(yùn)算，如加法、減法、乘法。在運(yùn)算過程中，算術(shù)邏輯單元主要是以計(jì)算機(jī)指令集中執(zhí)行算術(shù)與邏輯操作，通常來說，ALU能夠發(fā)揮直接讀入讀出的作用，具體體現(xiàn)在處理器控制器、內(nèi)存及輸入輸出設(shè)備等方面，輸入輸出是建立在總線的基礎(chǔ)上實(shí)施。輸入指令包含一 個(gè)指令字，其中包括操作碼、格式碼等。 [2] (2)中間寄存器(IR)。其長度為 128 位，其通過操作數(shù)來決定實(shí)際長度。IR 在“進(jìn)棧并取數(shù)”指令中發(fā)揮重要作用，在執(zhí)行該指令過程中，將ACC的內(nèi)容發(fā)送于IR，之后將操作數(shù)取到ACC，后將IR內(nèi)容進(jìn)棧。 [2] (3)運(yùn)算累加器(ACC)。當(dāng)前的寄存器一般都是單累加器，其長度為128位。對(duì)于ACC來說，可以將它看成可變長的累加器。在敘述指令過程中，ACC長度的表示一般都是將ACS的值作為依據(jù)，而ACS長度與 ACC 長度有著直接聯(lián)系，ACS長度的加倍或減半也可以看作ACC長度加倍或減半。 [2] (4)描述字寄存器(DR)。其主要應(yīng)用于存放與修改描述字中。DR的長度為64位，為了簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理，使用描述字發(fā)揮重要作用。 [2] (5)B寄存器。其在指令的修改中發(fā)揮重要作用，B 寄存器長度為32位，在修改地址過程中能保存地址修改量，主存地址只能用描述字進(jìn)行修改。指向數(shù)組中的第一個(gè)元素就是描述字， 因此，訪問數(shù)組中的其它元素應(yīng)當(dāng)需要用修改量。對(duì)于數(shù)組成來說，其是由大小一樣的數(shù)據(jù)或者大小相同的元素組成的，且連續(xù)存儲(chǔ)，常見的訪問方式為向量描述字，因?yàn)橄蛄棵枋鲎种械牡刂窞樽止?jié)地址，所以，在進(jìn)行換算過程中，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行基本地址 的相加。對(duì)于換算工作來說，主要是由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)過程中尤其要注意對(duì)齊，以免越出數(shù)組界限。 [2]

控制器控制器是指按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和 改變電路中電阻值來控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)與反向的主令裝置。控制器由程序狀態(tài)寄存器PSR，系統(tǒng)狀態(tài)寄存器SSR， 程序計(jì)數(shù)器PC，指令寄存器等組成，其作為“決策機(jī)構(gòu)”，主要任務(wù)就是發(fā)布命令，發(fā)揮著整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作的協(xié)調(diào)與指揮作用。 控制的分類主要包括兩種，分別為組合邏輯控制器、微程序控制器，兩個(gè)部分都有各自的優(yōu)點(diǎn)與不足。其中組合邏輯控制器結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，但優(yōu)點(diǎn)是速度較快;微程序控制器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡單，但在修改一條機(jī)器指令功能中，需對(duì)微程序的全部重編。