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計算機cpu性能指標與作用
本內容介紹了計算機cpu的內部結構、CPU的工作原理和性能指標，全面的介紹了計算機CPU。希望對大家了解CPU有所幫助!更多信息請關(guān)注應屆畢業(yè)生考試網(wǎng)!
計算機CPU的性能指標
從CPU的構造功能方面論述CPU性能指標對于計算機運行的重要作用,從而芻議了CPU的性能指標。CPU是計算機的三大核心部件之一,全稱(chēng)為(CentralProcessing Unit),CPU很小巧卻是整個(gè)計算機的運算核心和控制核心。用通俗的比喻來(lái)解釋就是相當于人的大腦。它的主要功能是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。對于一臺計算機而言CPU性能的好壞直接決定著(zhù)整個(gè)計算機的運行。
在計算機系統中CPU是由運算器和控制器兩大部分組成的。它主要負責協(xié)調并且控制計算機各部件執行程序的指令序列,對數據進(jìn)行加工。具體功能包括:指令控制、操作控制、時(shí)間控制、數據加工、中斷處理等。計算機發(fā)展到今天,CPU的性能指標已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究課題了,所以對于計算機CPU性能指標的探析是非常重要的。
1 頻率所謂CPU的頻率就是指它的工作頻率。
(1)主頻其實(shí)就是CPU內核工作時(shí)的時(shí)鐘頻率。CPU的主頻所表示的是CPU內數字脈沖信號震蕩的速度。所以并不能直接說(shuō)明主頻的速度是計算機CPU的運行速度的直接反映形式,我們并不能完全用主頻來(lái)概括CPU的性能。這是我們最關(guān)心的,我們所說(shuō)的233、300等就是指的主頻。
(2)外頻是系統總線(xiàn)的工作頻率,即CPU的基準頻率,是CPU與主板之間同步運行的速度。外頻速度越高,CPU就可以同時(shí)接受更多來(lái)自外圍設備的數據,從而使整個(gè)系統的速度進(jìn)一步提高。
(3)倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數。
2 緩存容量一般來(lái)說(shuō)存容量越大,性能也就越高,CPU的緩存一般分為內部緩存(L1 Cache)和外部緩存(L2 Cache)。封閉在CPU芯片內部的高速緩存,用于暫時(shí)存儲CPU運算時(shí)的部分指令和數據,存取速度與CPU主頻一致,L1緩存的容量單位一般為KB。外部緩存(L2 Cache):CPU外部的高速緩存,Pentium Pro處理器的L2和CPU運行在相同頻率下的,但成本昂貴,所以Pentium II運行在相當于CPU頻率一半下的,容量為512K。
內部緩存越大,CPU工作時(shí)與存取速度較慢的外部緩存和內部緩存間交換數據的次數越少,相對電腦的運算速度可以提高。L1高速緩存與CPU同步運行,其緩存容量大小對CPU的性能影響較大。L2高速緩存也稱(chēng)為二級高速緩存( L2Cache)的容量和頻率對CPU的性能影響也較大,其作用就是協(xié)調CPU的運行速度與內存存取速度之間的差異。L2高速緩存是CPU晶體管總數中占得最多得一部分,由于L2高速緩存得成本很高,因此L2高速緩存得容量大小一般用來(lái)作為高端和低端CPU產(chǎn)品得分界標準。
3 工作電壓因素工作電壓指的也就是CPU正常工作所需的電壓。早期計算機運行時(shí)需要的電壓比較高通常為5V,隨著(zhù)技術(shù)的不斷改進(jìn)現在CPU正常運行所需要的電壓比較低了。CPU的正常工作電壓是一個(gè)比較寬的范圍,一般最低可以達到1.1V,在低電壓下依然可以穩定的工作。提高工作電壓,可以加強CPU內部信號,增加CPU的穩定性能。但會(huì )導致CPU的發(fā)熱問(wèn)題,CPU發(fā)熱將改變CPU的化學(xué)介質(zhì),降低CPU的壽命。
4 流水線(xiàn)的性能指標衡量流水線(xiàn)性能的主要指標有吞吐率、加速比和效率。
CPU的原始工作模式
在了解CPU工作原理之前，我們先簡(jiǎn)單談?wù)凜PU是如何生產(chǎn)出來(lái)的。CPU是在特別純凈的硅材料上制造的。一個(gè)CPU芯片包含上百萬(wàn)個(gè)精巧的晶體管。人們在一塊指甲蓋大小的硅片上，用化學(xué)的方法蝕刻或光刻出晶體管。因此，從這個(gè)意義上說(shuō)，CPU正是由晶體管組合而成的。簡(jiǎn)單而言，晶體管就是微型電子開(kāi)關(guān)，它們是構建CPU的基石，你可以把一個(gè)晶體管當作一個(gè)電燈開(kāi)關(guān)，它們有個(gè)操作位，分別代表兩種狀態(tài):ON(開(kāi))和OFF(關(guān))。這一開(kāi)一關(guān)就相當于晶體管的連通與斷開(kāi)，而這兩種狀態(tài)正好與二進(jìn)制中的基礎狀態(tài)“0”和“1”對應!這樣，計算機就具備了處理信息的能力。
但你不要以為，只有簡(jiǎn)單的“0”和“1”兩種狀態(tài)的晶體管的原理很簡(jiǎn)單，其實(shí)它們的發(fā)展是經(jīng)過(guò)科學(xué)家們多年的辛苦研究得來(lái)的。在晶體管之前，計算機依靠速度緩慢、低效率的真空電子管和機械開(kāi)關(guān)來(lái)處理信息。后來(lái)，科研人員把兩個(gè)晶體管放置到一個(gè)硅晶體中，這樣便創(chuàng )作出第一個(gè)集成電路，再后來(lái)才有了微處理器。
看到這里，你一定想知道，晶體管是如何利用“0”和“1”這兩種電子信號來(lái)執行指令和處理數據的呢?其實(shí)，所有電子設備都有自己的電路和開(kāi)關(guān)，電子在電路中流動(dòng)或斷開(kāi)，完全由開(kāi)關(guān)來(lái)控制，如果你將開(kāi)關(guān)設置為OFF，電子將停止流動(dòng)，如果你再將其設置為ON，電子又會(huì )繼續流動(dòng)。晶體管的這種ON與OFF的切換只由電子信號控制，我們可以將晶體管稱(chēng)之為二進(jìn)制設備。這樣，晶體管的ON狀態(tài)用“1”來(lái)表示，而OFF狀態(tài)則用“0”來(lái)表示，就可以組成最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數。眾多晶體管產(chǎn)生的多個(gè)“1”與“0”的特殊次序和模式能代表不同的情況，將其定義為字母、數字、顏色和圖形。舉個(gè)例子，十進(jìn)位中的1在二進(jìn)位模式時(shí)也是“1”，2在二進(jìn)位模式時(shí)是“10”，3是“11”，4是“100”，5是“101”，6是“110”等等，依此類(lèi)推，這就組成了計算機工作采用的二進(jìn)制語(yǔ)言和數據。成組的晶體管聯(lián)合起來(lái)可以存儲數值，也可以進(jìn)行邏輯運算和數字運算。加上石英時(shí)鐘的控制，晶體管組就像一部復雜的機器那樣同步地執行它們的功能。
CPU的內部結構
現在我們已經(jīng)大概知道CPU是負責些什么事情，但是具體由哪些部件負責處理數據和執行程序呢?
1.算術(shù)邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit)
ALU是運算器的核心。它是以全加器為基礎，輔之以移位寄存器及相應控制邏輯組合而成的電路，在控制信號的作用下可完成加、減、乘、除四則運算和各種邏輯運算。就像剛才提到的，這里就相當于工廠(chǎng)中的生產(chǎn)線(xiàn)，負責運算數據。
2.寄存器組 RS(Register Set或Registers)
RS實(shí)質(zhì)上是CPU中暫時(shí)存放數據的地方，里面保存著(zhù)那些等待處理的數據，或已經(jīng)處理過(guò)的數據，CPU訪(fǎng)問(wèn)寄存器所用的時(shí)間要比訪(fǎng)問(wèn)內存的時(shí)間短。采用寄存器，可以減少CPU訪(fǎng)問(wèn)內存的次數，從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。寄存器組可分為專(zhuān)用寄存器和通用寄存器。專(zhuān)用寄存器的作用是固定的，分別寄存相應的數據。而通用寄存器用途廣泛并可由程序員規定其用途。通用寄存器的數目因微處理器而異。
3.控制單元(Control Unit)
正如工廠(chǎng)的物流分配部門(mén)，控制單元是整個(gè)CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器0C(Operation Controller)三個(gè)部件組成，對協(xié)調整個(gè)電腦有序工作極為重要。它根據用戶(hù)預先編好的程序，依次從存儲器中取出各條指令，放在指令寄存器IR中，通過(guò)指令譯碼(分析)確定應該進(jìn)行什么操作，然后通過(guò)操作控制器OC，按確定的時(shí)序，向相應的部件發(fā)出微操作控制信號。操作控制器OC中主要包括節拍脈沖發(fā)生器、控制矩陣、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、復位電路和啟停電路等控制邏輯。
4.總線(xiàn)(Bus)
就像工廠(chǎng)中各部位之間的聯(lián)系渠道，總線(xiàn)實(shí)際上是一組導線(xiàn)，是各種公共信號線(xiàn)的集合，用于作為電腦中所有各組成部分傳輸信息共同使用的“公路”。直接和CPU相連的總線(xiàn)可稱(chēng)為局部總線(xiàn)。其中包括: 數據總線(xiàn)DB(Data Bus)、地址總線(xiàn)AB(Address Bus) 、控制總線(xiàn)CB(Control Bus)。其中，數據總線(xiàn)用來(lái)傳輸數據信息;地址總線(xiàn)用于傳送CPU發(fā)出的地址信息;控制總線(xiàn)用來(lái)傳送控制信號、時(shí)序信號和狀態(tài)信息等。
CPU的工作流程
由晶體管組成的CPU是作為處理數據和執行程序的核心，其英文全稱(chēng)是:Central Processing Unit，即中央處理器。首先，CPU的內部結構可以分為控制單元，邏輯運算單元和存儲單元(包括內部總線(xiàn)及緩沖器)三大部分。CPU的工作原理就像一個(gè)工廠(chǎng)對產(chǎn)品的加工過(guò)程:進(jìn)入工廠(chǎng)的原料(程序指令)，經(jīng)過(guò)物資分配部門(mén)(控制單元)的調度分配，被送往生產(chǎn)線(xiàn)(邏輯運算單元)，生產(chǎn)出成品(處理后的數據)后，再存儲在倉庫(存儲單元)中，最后等著(zhù)拿到市場(chǎng)上去賣(mài)(交由應用程序使用)。在這個(gè)過(guò)程中，我們注意到從控制單元開(kāi)始，CPU就開(kāi)始了正式的工作，中間的過(guò)程是通過(guò)邏輯運算單元來(lái)進(jìn)行運算處理，交到存儲單元代表工作的結束。
數據與指令在CPU中的運行
剛才已經(jīng)為大家介紹了CPU的部件及基本原理情況，現在，我們來(lái)看看數據是怎樣在CPU中運行的。我們知道，數據從輸入設備流經(jīng)內存，等待CPU的處理，這些將要處理的信息是按字節存儲的，也就是以8位二進(jìn)制數或8比特為1個(gè)單元存儲，這些信息可以是數據或指令。數據可以是二進(jìn)制表示的字符、數字或顏色等等。而指令告訴CPU對數據執行哪些操作，比如完成加法、減法或移位運算。
我們假設在內存中的數據是最簡(jiǎn)單的原始數據。首先，指令指針(Instruction Pointer)會(huì )通知CPU，將要執行的指令放置在內存中的存儲位置。因為內存中的每個(gè)存儲單元都有編號(稱(chēng)為地址)，可以根據這些地址把數
據取出，通過(guò)地址總線(xiàn)送到控制單元中，指令譯碼器從指令寄存器IR中拿來(lái)指令，翻譯成CPU可以執行的形式，然后決定完成該指令需要哪些必要的操作，它將告訴算術(shù)邏輯單元(ALU)什么時(shí)候計算，告訴指令讀取器什么時(shí)候獲取數值，告訴指令譯碼器什么時(shí)候翻譯指令等等。
假如數據被送往算術(shù)邏輯單元，數據將會(huì )執行指令中規定的算術(shù)運算和其他各種運算。當數據處理完畢后，將回到寄存器中，通過(guò)不同的指令將數據繼續運行或者通過(guò)DB總線(xiàn)送到數據緩存器中。
基本上，CPU就是這樣去執行讀出數據、處理數據和往內存寫(xiě)數據3項基本工作。但在通常情況下，一條指令可以包含按明確順序執行的許多操作，CPU的工作就是執行這些指令，完成一條指令后，CPU的控制單元又將告訴指令讀取器從內存中讀取下一條指令來(lái)執行。這個(gè)過(guò)程不斷快速地重復，快速地執行一條又一條指令，產(chǎn)生你在顯示器上所看到的結果。我們很容易想到，在處理這么多指令和數據的同時(shí)，由于數據轉移時(shí)差和CPU處理時(shí)差，肯定會(huì )出現混亂處理的情況。為了保證每個(gè)操作準時(shí)發(fā)生，CPU需要一個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘控制著(zhù)CPU所執行的每一個(gè)動(dòng)作。時(shí)鐘就像一個(gè)節拍器，它不停地發(fā)出脈沖，決定CPU的步調和處理時(shí)間，這就是我們所熟悉的CPU的標稱(chēng)速度，也稱(chēng)為主頻。主頻數值越高，表明CPU的工作速度越快。
如何提高CPU工作效率
既然CPU的主要工作是執行指令和處理數據，那么工作效率將成為CPU的最主要內容，因此，各CPU廠(chǎng)商也盡力使CPU處理數據的速度更快。
根據CPU的內部運算結構，一些制造廠(chǎng)商在CPU內增加了另一個(gè)算術(shù)邏輯單元(ALU)，或者是另外再設置一個(gè)處理非常大和非常小的數據浮點(diǎn)運算單元(Floating Point Unit，FPU)，這樣就大大加快了數據運算的速度。
而在執行效率方面，一些廠(chǎng)商通過(guò)流水線(xiàn)方式或以幾乎并行工作的方式執行指令的方法來(lái)提高指令的執行速度。剛才我們提到，指令的執行需要許多獨立的操作，諸如取指令和譯碼等。最初CPU在執行下一條指令之前必須全部執行完上一條指令，而現在則由分布式的電路各自執行操作。也就是說(shuō)，當這部分的電路完成了一件工作后，第二件工作立即占據了該電路，這樣就大大增加了執行方面的效率。
另外，為了讓指令與指令之間的連接更加準確，現在的CPU通常會(huì )采用多種預測方式來(lái)控制指令更高效率地執行。
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