[科普中国]-中央处理器体系结构

基本概念

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的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。中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。目前中央处理机结构主要有冯·诺依曼结构、哈佛结构、重叠结构、流水结构、并行处理结构等。

CPU基本结构从功能上看，一般CPU的内部结构可分为：控制单元、逻辑运算单元、存储单元（包括内部总线和缓冲器）三大部分。其中控制单元完成数据处理整个过程中的调配工作，逻辑单元则完成各个指令以便得到程序最终想要的结果，存储单元就负责存储原始数据以及运算结果。浑然一体的配合使得CPU拥有了强大的功能，可以完成包括浮点、多媒体等指令在内的众多复杂运算，也为数字时代加入了更多的活力。

逻辑部件英文Logic components；运算逻辑部件。可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。

寄存器寄存器部件，包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。 通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。 通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。

控制部件控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。

微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。简单指令是由3～5个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。

CPU的逻辑单元更细一点，从实现的功能方面看，CPU大致可分为如下八个逻辑单元：

（1）指令寄存器 ：它是芯片上的指令仓库，有了它CPU就不必停下来查找计算机内存中的指令，从而大幅提高了CPU的运算速度。

（2）指令译码器 ：它负责将复杂的机器语言指令解译成运算逻辑单元（ALU）和寄存器能够理解的简单格式，就像一位外交官。

（3）控制单元 ：既然指令可以存入CPU，而且有相应指令来完成运算前的准备工作，背后自然有一个扮演推动作用的角色——它便是负责整个处理过程的操作控制器。根据来自译码单元的指令，它会生成控制信号，告诉运算逻辑单元（ALU）和寄存器如何运算、对什么进行运算以及对结果进行怎样的处理。

（4）寄存器 ：它对于CPU来说非常的重要，除了存放程序的部分指令，它还负责存储指针跳转信息以及循环操作命令，是运算逻辑单元（ALU）为完成控制单元请求的任务所使用的数据的小型存储区域，其数据来源可以是高速缓存、内存、控制单元中的任何一个。

（5）逻辑运算单元（ALU） ：它是CPU芯片的智能部件，能够执行加、减、乘、除等各种命令。此外，它还知道如何读取逻辑命令，如或、与、非。来自控制单元的讯息将告诉运算逻辑单元应该做些什么，然后运算单元会从寄存器中间断或连续提取数据，完成最终的任务。

（6）预取单元 ：PU效能发挥对其依赖非常明显，预取命中率的高低直接关系到CPU核心利用率的高低，进而带来指令执行速度上的不同。根据命令或要执行任务所提出的要求，何时时候，预取单元都有可能从指令高速缓存或计算机内存中获取数据和指令。当指令到达时，预取单元最重要的任务就是确保所有指令均排列正确，然后发送给译码单元。

（7）总线单元 ：它就像一条高速公路，快速完成各个单元间的数据交换，也是数据从内存流进和流出CPU的地方。

（8）数据高速缓存 ：存储来自译码单元专门标记的数据，以备逻辑运算单元使用，同时还准备了分配到计算机不同部分的最终结果。

通过以上介绍可以看出CPU虽小，方寸之地却能容纳大世界，内部更像一个发达的装配工厂，环环相扣，层层相套。正因为有了相互间的协作配合，才使得指令最终得以执行，才构成了图文并茂、影像结合的神奇数字世界。

CPU的体系结构下面对CPU的冯·诺伊曼结构、哈佛结构和并行处理结构做出介绍。

冯·诺伊曼结构（Von Neumann architecture），也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的电脑设计概念结构。下图是冯·诺伊曼结构图：

本结构隐约指导了将储存装置与中央处理器分开的概念，因此依本结构设计出的计算机又称储存程式型电脑。 最早的计算机器仅内涵固定用途的程式。现代的某些计算机依然维持这样的设计方式，通常是为了简化或教育目的。例如一个计算器仅有固定的数学计算程式，它不能拿来当作文书处理软件，更不能拿来玩游戏。若想要改变此机器的程式，你必须更改线路、更改结构甚至重新设计此机器。当然最早的计算机并没有设计的那个可编程化。当时所谓的“重写程式”很可能指的是纸笔设计程式步骤，接着制订工程细节，再施工将机器的电路配线或结构改变。

而储存程式型电脑的概念改变了这一切。借由创造一组指令集结构，并将所谓的运算转化成一串程式指令的执行细节，让此机器更有弹性。借着将指令当成一种特别型态的静态资料，一台储存程式型电脑可轻易改变其程式，并在程控下改变其运算内容。冯·诺伊曼结构与储存程式型电脑是互相通用的名词，其用法将于下述。而哈佛结构则是一种将程式资料与普通资料分开储存的设计概念,但是它并未完全突破冯·诺伊曼架构。

储存程式型概念也可让程式执行时自我修改程式的运算内容。本概念的设计动机之一就是可让程式自行增加内容或改变程式指令的内存位置，因为早期的设计都要使用者手动修改。但随着索引暂存器与间接位置存取变成硬件结构的必备机制后，本功能就不如以往重要了。而程式自我修改这项特色也被现代程式设计所弃扬，因为它会造成理解与除错的难度，且现代中央处理器的管线与快取机制会让此功能效率降低。

哈佛结构哈佛结构(Harvard architecture)是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令储存器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据储存器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令储存和数据储存分开，数据和指令的储存可以同时进行，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。

哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和储存的，执行时可以预先读取下一条指令。 结构图如图所示：

并行处理结构尽管发展至今的前四代计算机在硬件和性能上有很大的差异，但它们都是从一个基本的设计——冯诺依曼处理机衍生出来的。这些机器都是顺序的，即每次使用一个处理部件完成一个运算。

它们的控制部件是集中顺序的，存贮器是线性编址、固定宽度的，它们使用低级的顺序性的机器语言。为了提高顺序式机器的速度，就必须提高每个部件的运行速度。第五代计算机要求的速度将比用这种方法所能达到的速度高得多，因而，第五代计算机将是并行的机器，它的体系结构将使计算机一次完成许多个运算。并行机器的开发工作已经进行了多年，数组处理机从商业的角度已证明了它的生命力。这种机器主要由于与传统的顺序指令流的冯诺依曼编程方法很好地结合起来而获得成功。

美国斯坦福大学的迈克尔. 弗林（Michael Flynn）将这种机器的特点描述为：单指令流多数据流(SIMD) 结构。SIMD机器最适于处理规则的稠密数组带问题。如图象处理、矩阵运算和物理模拟等问题。它们不象单处理机那样通用，一般地是作为冯诺依曼主机的附加处理机1。