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第6题      
知识点   中央处理单元   CPU
关键词   CPU   中央处理单元      分类   中央处理器CPU       

 
中央处理单元CPU)不包括(6)。
 
 
  A.  算术逻辑运算单元
 
  B.  控制器
 
  C.  通用寄存器组
 
  D.  I/O总线
 
 
 

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  第6题    2012年上半年  
   48%
寄存器寻址方式中的操作数放在(6)中。
  第11题    2016年上半年  
   24%
通常,以科学计算为主的计算机,对(11)要求较高。
  第11题    2009年上半年  
   33%
计算机的用途不同,对其部件的性能指标要求也有所不同。以科学计算为主的计算机,对(10)要求较高,而且应该重点考虑(11).
 


   知识点讲解    
   · 中央处理单元    · CPU
 
       中央处理单元
               CPU的结构
               中央处理器(CPU)由运算器和控制器组成。运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件,控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化,即实现程序的自动运行。在早期的计算机内它们是分开的,由于电路集成度的提高,现在已把它们集成在一个芯片中。
               1)运算器
               运算器是计算机的核心部件,是对信息进行加工、运算的部件,它的速度几乎决定了计算机的计算速度。运算器的主要功能是对二进制编码进行算术运算(加、减、乘、除)和逻辑运算。参加运算的数(称为操作数)由控制器从存储器或寄存器内取到运算器。实现对数据的算术与逻辑运算是运算器的核心功能,这些功能是由运算器内部的一个被称为算术逻辑单元(ALU)完成的,ALU往往也是运算器内部传送数据的重要通路。
               逻辑运算不仅要给出参加运算的一或两个操作数的运算结果的值,往往还要求给出结果值的某些特征,如算术运算时结果的符号为正还是为负、最高位是否给出了进位信号等。这要求相应的线路给出这些特征结果,以便在完成本次运算后,将其保存到相应的标志寄存器(Flag Register)中。
               运算器的第二项功能是暂时存放参加运算的数据和某些中间结果。为此,运算器内包含一定数目的寄存器,它们的数目、配置与连接关系和功能分配与具体使用方式等,在不同的设计、不同的计算机中可以有较明显的差异。但它们都具有存放数据或可以由机器指令(程序员)访问与使用的功能,这些功能是寄存器的共同特点,通常称它们为通用寄存器,以区别于那些计算机内部设定的、不能为汇编程序直接访问的专用寄存器。
               运算器一般包括算术逻辑运算单元、一组通用寄存器和专用寄存器及一些控制门。算术逻辑运算单元(ALU)通过算术运算或逻辑运算来进行算术逻辑运算。通用寄存器可提供参与运算的操作数,并存放运算结果。哪些数参与运算常由输入选择门的控制条件决定。输出门可实现移位传送。
               2)控制器
               计算机对信息进行处理是通过程序的执行来实现的,程序是完成某个确定算法的指令序列,要预先存放在存储器中。控制器的作用是控制程序的执行,它具有以下基本功能。
               (1)取指令。当程序已在存储器中时,首先根据程序入口取出第一条指令,然后不断取后面的指令。
               (2)分析指令。或者叫作解释指令、指令译码等,是对当前取得的指令进行分析,指出它要求做什么操作并产生相应的操作控制命令。
               (3)执行指令。根据分析指令时产生的"操作命令"和"操作数地址"形成相应的操作控制信号序列,通过执行实现每条指令的功能。
               计算机不断重复执行上述基本操作,直到遇到停机指令或外来的干预为止。此外,控制器还要具备控制程序和数据的输入与结果输出、对异常情况和某些请求的处理等功能。
               控制器由以下各部分组成。
               (1)程序计数器(PC):指令地址寄存器,当程序顺序执行时,通过PC加1形成下一条指令地址;遇到需要改变顺序执行程序时,由转移类指令形成转移地址送往PC,作为下一条指令的地址。
               (2)指令寄存器(IR):用以存放当前正在执行的指令,以便在指令执行过程中,控制完成一条指令的全部功能。
               (3)指令译码器:对IR中的操作码进行分析解释,产生相应的控制信号。
               (4)脉冲源及启停线路:脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲,是机器周期和工作脉冲的基准信号,在机器刚刚加电时,还产生一个总清信号(Reset);启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲,控制时序信号的发生或停止,从而启动机器工作或使之停机。
               (5)程序状态寄存器(PSR):保存程序状态字(PSW),PSW将反映机器运行的状态集中在一起。
               (6)微操作信号发生器:把机器同时发出的控制信号的有关信息汇集起来形成微指令,按次序执行,从而控制指令的执行。
               CPU的发展
               1)CPU的性能指标
               (1)主频。CPU主频又称为CPU工作频率,即CPU内核运行时的时钟频率。一般说来,主频越高,一个时钟周期里面完成的指令数也越多,当然CPU的速度也就越快。不过由于各种各样的CPU的内部结构不尽相同,所以并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。
               (2)外频。CPU外频是由主板为CPU提供的基准时钟频率,也称为前端总线频率(FSB)和系统总线频率,是CPU与主板芯片组、内存交换数据的频率。虽然CPU可以采用很高的时钟频率工作,但CPU以外的其他部件却不能以同样高的速度工作,因此CPU外频远低于CPU的工作频率。
               (3)倍频。CPU倍频系数内部的时钟信号是由外部输入的,在CPU内部采用了时钟倍频技术。提高时钟频率的比例称为倍频系数。关系为:主频=外频×倍频。
               (4)字长。字长是指在算术逻辑单元中采用运算的基本位数,即CPU能一次处理的二进制位数称为字长。
               (5)工作电压。它是指CPU正常工作时需要提供的电压值。
               (6)高速缓存。L1/L2高速缓存(Cache)的容量和速度对提高整个系统的速度起关键作用。L1 Cache是CPU芯片内内置的高速缓存,它对提高CPU的性能有显著作用。目前CPU的L2 Cache分为内部和外部两种芯片,设在CPU芯片内的L2 Cache的运行速度与主频相同,而设在CPU芯片外的L2 Cache的运行速度一般是主频的1/2。
               (7)支持的扩展指令集。X86扩展指令主要有Intel公司开发的MMX(多媒体扩展指令集)和SSE(互联网数据流单指令扩展)以及AMD开发的3D NOW。
               2)CPU的发展
               CPU从最初发展至今已经有20多年的历史了,按照其处理信息的字长,CPU可以分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器。可以说计算机的发展是随着CPU的发展而前进的。
               (1)8086。1978年Intel公司生产的8086是第一个16位的微处理器。1979年,Intel公司又开发出了8088。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输,所以都称为16位微处理器,但8086每周期能传送或接收16位数据,而8088每周期只采用8位。这就是第三代微处理器的起点。
               (2)80286。1982年,Intel公司在8086的基础上,研制出了80286微处理器,该微处理器的最大主频为20MHz,内、外部数据传输均为16位,使用24位内存储器的寻址,内存寻址能力为16MB。
               (3)80386。1985年10月17日80386DX正式发布,时钟频率为12.5MHz,后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz,最后还有少量的40MHz产品。80386DX的内部和外部数据总线是32位,地址总线也是32位,可以寻址到4GB内存,并可以管理64TB的虚拟存储空间。
               (4)80486。1989年,80486芯片由Intel推出,它的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。
               (5)Pentium。1993年,586 CPU问世,Pentium最初级的CPU是Pentium 60和Pentium 66,分别工作在与系统总线频率相同的60MHz和66MHz两种频率下,没有现在所说的倍频设置。
               (6)Pentium Ⅱ。1997年推出的Pentium Ⅱ微处理器采用了双重独立总线结构,即其中一条总线连通二级缓存,另一条负责主要内存。Pentium Ⅱ使用了一种脱离芯片的外部高速L2 Cache,容量为512KB,并以CPU主频的一半速度运行。作为一种补偿,Intel将PentiumⅡ的L1 Cache从16KB增至32KB。
               (7)Intel Pentium Ⅲ。1999年Intel公司发布了Pentium Ⅲ。该微处理器系统总线频率为100MHz,双重独立总线;一级缓存为32KB(16KB指令缓存加16KB数据缓存),二级缓存大小为512KB,以CPU核心速度的一半运行;新增加了能够增强音频、视频和3D图形效果的SSE(Streaming SIMD Extensions,数据流单指令多数据扩展)指令集;Pentium Ⅲ的起始主频速度为450MHz。
               (8)Pentium Ⅳ。2000年第四季度推出的Pentium Ⅳ,时钟频率突破2GHz。
 
       CPU
        CPU即中央处理器,它是计算机系统的核心部分。刚才所列的系统性能评价指标都是围绕CPU的。当然,这些指标的评价结果是建立在CPU与其他系统部件(如内存)的协同工作的基础上的。单就CPU而言,考察它在系统中的工作性能要关注CPU利用率、队列长度、每秒中断次数,等。


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