[科普中国]-微处理器控制

基本概念

微处理器（又称为CPU或中央处理单元）是装配在单颗芯片上的一个完整的计算引擎。第一颗微处理器是1971年问世的Intel 4004。微处理机能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

微处理器结构16位微处理器可分成两个部分，一部分是执行部件(EU)，即执行指令的部分；另一部分是总线接口部件(BIU)，与8086总线联系，执行从存储器取指令的操作。微处理器分成EU和BIU后,可使取指令和执行指令的操作重叠进行。EU部分有一个寄存器堆，由8个16位的寄存器组成,可用以存放数据、变址和堆栈指针、算术运算逻辑单元(ALU)执行算术运算和逻辑操作，标志寄存器寄存这些操作结果的条件。执行部件中的这些部件是通过数据总线传送数据的。总线接口部件也有一个寄存器堆，其中CS、DS、SS和ES是存储空间分段的分段寄存器。IP是指令指针。内部通信寄存器也是暂时存放数据的寄存器。指令队列是把预先取来的指令流存放起来。总线接口部件还有一个地址加法器，把分段寄存器值和偏置值相加，取得20位的物理地址。数据和地址通过总线控制逻辑与外面的8086系统总线相联系。8086有16位数据总线，处理器与片外传送数据时，一次课传送16位二进制数。8086具有一个初级流水线结构，可以实现片内操作与片外操作的重叠。

微处理器基本结构如图：

图1

这是一个进行了最大程度简化的微处理器。此微处理器具有1：

（1）一条地址总线（总线宽度可以8位、16位或32位），用于向内存发送一个地址；

（2）一条数据总线（总线宽度可以是8位、16位或32位），能够将数据发送到内存或从内存取得数据；

（3）一条RD（读）和WR（写）线路，告诉内存它是希望写入某个地址位置还是获得某个地址位置的内容；

（4）一条时钟线路，将时钟脉冲序列发送到处理器；

（5）复位线路，用于将程序计数器重置为零（或者其他内容）并重新开始执行。

微处理器执行一组机器指令，这组指令可向处理器告知应执行哪些操作。微处理器就会根据指令执行三种基本工作：

（1）通过使用ALU（算术/逻辑单元），微处理器可以执行数学计算。例如：加法、减法、乘法和除法。现代的微处理器包含完整的浮点处理器，它可以对很大的浮点数执行非常复杂的浮点运算。 

（2）微处理器可以将数据从一个内存位置移动到另一个位置。 

（3）微处理器可以做出决定，并根据这些决定跳转到一组新指令。

微处理器能够执行许多非常复杂的工作，但是所有工作都属于这三种基本操作的范畴。

微处理器的分类根据微处理器的应用领域，微处理器大致可以分为三类：通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器。一般而言，通用处理器追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统；嵌入式微处理器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，主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电；微控制器价位相对较低，在微处理器市场上需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。
CPU是Central Processing Unit（中央微处理器）的缩写，它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成。如果把计算机比作人，那么CPU就是人的大脑。CPU的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到Pentium 4时代，只经过了二十一年的时间。

微处理器的发展CISC微处理器这种计算机为复杂指令系统计算机，简称CISC。这种计算机采用的微处理器属于CISC结构的微处理器。在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的;每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但机器各部分的利用率不高，执行速度慢。Intel的80386系列就属于CISC结构的微处理器。

对CISC机进行测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，最常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20%,但在程序中出现的频度却占80%。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性，使微处理器研制时间长、成本高。复杂指令需要复杂的操作，从而降低了机器的速度。

RISC微处理器70年代末，John Cocke提出精简指令的想法。80年代初斯坦福大学研制出MIPS机，为精简指令系统计算机(简称RISC)的诞生与发展起了很大作用。RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。MIPS R3000,HP-PA8000系列，Motorola M88000等均属于RISC微处理器。它们的指令数目只有几十条。RISC微处理器不仅精简了指令系统，还采用超标量和超流水线结构，大大增强了并行处理能力，并在构建并行精简指令系统多处理机中起着核心的作用。由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快，世界上绝大部分UNIX工作站和服务器厂商均采用RISC芯片作CPU用。这些RISC芯片的时钟频率低，功率消耗少，温升也少，机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。

EPIC微处理器何谓64位计算机?现今工业界对64位计算机的描述，是指具有64位运算能力、64位寻址空间和64位数据通路的计算机。

64位的硬件环境能提供的好处：

（1）64位的CPU和数据通路，可以提供快速双精度的运算能力；

（2）64位的指针可以提供大于1TB的虚拟存储空间，文件长度可以大于1TB；
（3）物理地址空间大于1TB。

64位CPU可以快速而精确地执行应用程序，允许程序人员在设计程序时可以使用比以往更大的数据库和存储空间，可以处理很复杂的计算模型。简单地说，EPIC处理器首先由编译程序分析指令之间的依赖关系;然后将没有依赖关系的指令组合成群;最后由内置的执行单元读入指令群并分头并行执行。由于各条指令究竟分配给哪个单元是由编译器来决定的，而不是由硬件进行调度，因此降低了处理器的制造成本。

Intel的Intanium(安腾)处理器和AMD的Athlon(速龙)处理器均属于64位的EPIC微处理器，两者均采用0.18微米的CMOS制造工艺。不同的是IA- 64的奔腾处理器与IA-32应用程序不能完全兼容，而AMD的x86- 64可以运行IA-32的应用程序。因此在64位的EPIC处理器战场上，Intel和AMD两大厂商展开了激烈的竞争。

Alpha处理器Alpha的设计思想可以用一句话来概括：一个聪明的编译程序和一个聪明的处理器开发Alpha体系结构的明显目标是实现在编译程序、处理器体系结构和实际线路设计等方面都能够创造性地提高性能。Alpha设计成能够利用编译时和运行时的信息。当编译出错时，设计了一个无序指令发送机制使得计算机能够适应程序的运行过程而不是阻塞计算机的运行。此外，编译程序在程序中只有有限的视野，经常不能跨过子程序或模块的边界进行优化。同时多线程允许Alpha处理器除了指令级并行外还能够利用线程级并行。Alpha是为广泛范围的商业应用设计的。同时，多线程是Alpha无序指令执行的自然扩展，它也是在大多数应用负载下利用显性并行的最有效机制。

MIPS处理器MIPS 84000是最早推出的64位处理器之一。SGI在收购MIPS(后MIPS又独立)之后继续发展T系列的64位处理器，先后推出了R6000,R8000,R10000,R12000等型号。

MIPS 812000是超标量的RISC微处理器，它采用ANDES(无序动态执行和调度)的体系结构。在每个流水线周期内可对4条指令进行译码。该微处理器有5条执行流水线分别连接到整数和浮点执行单元，并具有推理机制及无序动态执行机制。

H2是一种设计用于满足用户在今后十年使用的最苛求的技术和商业计算应用需要的新型微处理器系列。利用在处理单和多处理器环境中迅速将大数据集合从CPU输出和输入到CPU的技术，这种微处理器系列集成了消除处理器与系统设计之间存在的传统瓶颈的创新内存。在保持编码和指令集兼容性的同时，H2将为大型可伸缩服务器级计算机到桌面系统提供动力2。