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cpu

物理結構

  邏輯部件:英文Logic components;運算邏輯部件。可以執行定點或浮點算術運算操作、移位操作以及邏輯操作,也可執行地址運算和轉換。

  寄存器:寄存器部件,包括寄存器、專用寄存器和控制寄存器。 通用寄存器又可分定點數和浮點數兩類,它們用來保存指令執行過程中臨時存放的寄存器操作數和中間(或最終)的操作結果。 通用寄存器是中央處理器的重要部件之一。

  控制部件:英文Control unit;控制部件,主要是負責對指令譯碼,并且發出為完成每條指令所要執行的各個操作的控制信號。其結構有兩種:一種是以微存儲為核心的微程序控制方式;一種是以邏輯硬布線結構為主的控制方式。微存儲中保持微碼,每一個微碼對應于一個最基本的微操作,又稱微指令;各條指令是由不同序列的微碼組成,這種微碼序列構成微程序。中央處理器在對指令譯碼以后,即發出一定時序的控制信號,按給定序列的順序以微周期為節拍執行由這些微碼確定的若干個微操作,即可完成某條指令的執行。簡單指令是由(3~5)個微操作組成,復雜指令則要由幾十個微操作甚至幾百個微操作組成。

主要功能

工作過程

  CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令,放入指令寄存器,并對指令譯碼。它把指令分解成一系列的微操作,然后發出各種控制命令,執行微操作系列,從而完成一條指令的執行。指令是計算機規定執行操作的類型和操作數的基本命令。指令是由一個字節或者多個字節組成,其中包括操作碼字段、一個或多個有關操作數地址的字段以及一些表征機器狀態的狀態字以及特征碼。有的指令中也直接包含操作數本身。

  第一階段,提取,從存儲器或高速緩沖存儲器中檢索指令(為數值或一系列數值)。由程序計數器(Program Counter)指定存儲器的位置。(程序計數器保存供識別程序位置的數值。換言之,程序計數器記錄了CPU在程序里的蹤跡。)

  CPU根據存儲器提取到的指令來決定其執行行為。在解碼階段,指令被拆解為有意義的片段。根據CPU的指令集架構(ISA)定義將數值解譯為指令。一部分的指令數值為運算碼(Opcode),其指示要進行哪些運算。其它的數值通常供給指令必要的信息,諸如一個加法(Addition)運算的運算目標。

  在提取和解碼階段之后,緊接著進入執行階段。該階段中,連接到各種能夠進行所需運算的CPU部件。
例如,要求一個加法運算,算術邏輯單元(ALU,Arithmetic Logic Unit)將會連接到一組輸入和一組輸出。輸入提供了要相加的數值,而輸出將含有總和的結果。ALU內含電路系統,易于輸出端完成簡單的普通運算和邏輯運算(比如加法和位元運算)。如果加法運算產生一個對該CPU處理而言過大的結果,在標志暫存器里可能會設置運算溢出(Arithmetic Overflow)標志。

  最終階段,寫回,以一定格式將執行階段的結果簡單的寫回。運算結果經常被寫進CPU內部的暫存器,以供隨后指令快速存取。在其它案例中,運算結果可能寫進速度較慢,但容量較大且較便宜的主記憶體中。某些類型的指令會操作程序計數器,而不直接產生結果。這些一般稱作“跳轉”(Jumps),并在程式中帶來循環行為、條件性執行(透過條件跳轉)和函式。許多指令會改變標志暫存器的狀態位元。這些標志可用來影響程式行為,緣由于它們時常顯出各種運算結果。例如,以一個“比較”指令判斷兩個值大小,根據比較結果在標志暫存器上設置一個數值。這個標志可藉由隨后跳轉指令來決定程式動向。在執行指令并寫回結果之后,程序計數器值會遞增,反覆整個過程,下一個指令周期正常的提取下一個順序指令。

制造工藝

  CPU制造工藝的微米是指IC內電路與電路之間的距離。制造工藝的趨勢是向密集度愈高的方向發展。密度愈高的IC電路設計,意味著在同樣大小面積的IC中,可以擁有密度更高、功能更復雜的電路設計。主要的180nm、130nm、90nm、65nm、45納米、22nm,intel已經于2010年發布32納米的制造工藝的酷睿i3/酷睿i5/酷睿i7系列并于2012年4月發布了22納米酷睿i3/i5/i7系列。并且已有14nm產品的計劃(據新聞報道14nm將于2013年下半年在筆記本處理器首發。)。而AMD則表示、自己的產品將會直接跳過32nm工藝(2010年第三季度生產少許32nm產品、如Orochi、Llano)于2011年中期初發布28nm的產品(APU)。TrinityAPU已在2012年10月2日正式發布,工藝仍然32nm,28nm工藝代號Kaveri反復推遲。2013年上市的28nm的Apu僅有平板與筆記本低端處理器,代號Kabini。而且鮮為人知,市場反應平常。據可靠消息,2014年上半年可能有28nm的臺式Apu發布,其gpu將采用GCN架構,與高端A卡同架構。

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