[科普中国]-中央处理器执行时间

简介

中央处理器执行时间有两种解释，1、CPU运行单个程序或进程的时间；2、整个计算机系统中CPU的运行时间。在计算机系统中，中央处理器执行时间越长，CPU的利用率越高；系统的吞吐量不一定变高，这主要与作业的类型有关，长作业（例如，I/O型作业）占用中央处理器的时间较长，短作业占用中央处理器的时间较短。如果运行是长作业，系统吞吐量可能会变小；短作业则相反。

中央处理器主要功能处理指令英文Processing instructions；这是指控制程序中指令的执行顺序。程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规定的顺序执行，才能保证计算机系统工作的正确性。

操作控制一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行操作。

时间控制对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受时间的严格控制。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作1。

处理数据即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处理。

其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据， 并执行指令。在微型计算机中又称微处理器，计算机的所有操作都受CPU控制，CPU的性能指标直接决定了微机系统的性能指标。CPU具有以下4个方面的基本功能：数据通信，资源共享，分布式处理，提供系统可靠性。运作原理可基本分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。

增加中央处理器执行时间的方法CPU是计算机中最宝贵的资源之一，但CPU的运行速度与I/O设备运行速度不匹配。增加中央处理器执行时间一般可以从硬件和软件角度考虑，硬件方面，为了减少CPU对I/O的控制，常见的方式有I/O通道方式和DMA方式。软件方面常见的有多道程序方式。

I/O通道I/O通道(I/O Channel)设备的引入实际上，I/O通道是一种特殊的处理机。它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道(I/O)程序来控制I/O操作。但I/O通道又与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面：一是其指令类型单一，这是由于通道硬件比较简单，其所能执行的命令，主要局限于与I/O操作有关的指令；再就是通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的，换言之，是通道与CPU共享内存。

DMA直接存储器存取是一种高速数据传输的方法，数据可以从一个通道，不经过CPU的处理就直接在存储器或输入输出设备之间进行传输。

一个设备接口试图通过总线直接向另一个设备发送数据(一般是大批量的数据)，它会先向CPU发送DMA请求信号。外设通过DMA的一种专门接口电路――DMA控制器（DMAC），向CPU提出接管总线控制权的总线请求，CPU收到该信号后，在当前的总线周期结束后，会按DMA信号的优先级和提出DMA请求的先后顺序响应DMA信号。CPU对某个设备接口响应DMA请求时，会让出总线控制权。于是在DMA控制器的管理下，外设和存储器直接进行数据交换，而不需CPU干预。数据传送完毕后，设备接口会向CPU发送DMA结束信号，交还总线控制权。

实现DMA传送的基本操作如下：

（1）外设可通过DMA控制器向CPU发出DMA请求：

（2）CPU响应DMA请求，系统转变为DMA工作方式，并把总线控制权交给DMA控制器；

（3）由DMA控制器发送存储器地址，并决定传送数据块的长度；

（4）执行DMA传送；

（5）DMA操作结束，并把总线控制权交还CPU。

多道程序多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序，使它们在管理程序控制下，相互穿插运行，两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始到结束之间的状态, 这些程序共享计算机系统资源。与之相对应的是单道程序，即在计算机内存中只允许一个的程序运行。

对于一个单CPU系统来说，程序同时处于运行状态只是一种宏观上的概念，他们虽然都已经开始运行，但就微观而言，任意时刻，CPU上运行的程序只有一个。