微處理器工作原理

1. 引言 2. 微處理器的結構 3. 微處理器指令 4. 微處理器的性能和發展趨勢

引言

您在瀏覽本頁面時使用的計算機便通過微處理器來完成其工作。微處理器是所有標準計算機的心臟，無論該計算機是桌面計算機、服務器還是筆記本電腦。您正在使用的微處理器可能是奔騰、K6、PowerPC、Sparc或者其他任何品牌和類型的微處理器，但是它們的作用大體相同，工作方式也基本類似。

如果您曾經疑惑計算機中的微處理器是干什么用的，或者對各種類型的微處理器之間的差異感到迷惑，請繼續閱讀下面的內容。在本文中，您將了解到簡簡單單的數字邏輯電路技術如何讓計算機完成諸如玩游戲或是對文檔進行拼寫檢查的工作。

Intel4004芯片

微處理器（又稱為CPU或中央處理單元）是裝配在單顆芯片上的一個完整的計算引擎。第一顆微處理器是1971年問世的Intel 4004。4004的能力不算強大_它只能執行加減運算，而且每次只能對4位的數據進行運算。但是它是一個很奇妙的產品，因為所有東西都集成在一顆芯片中。在4004出現之前，工程師們要么使用一堆芯片來制造計算機，要么使用零散部件來搭建出計算機（一次連接一個晶體管）。4004曾被用來生產第一款便攜式電子計算器。

Intel8080

使計算機進入尋常百姓家的第一款微處理器是Intel 8080，它是一個完整的8位計算機芯片，于1974年問世。而迅速在市場中走紅的第一款微處理器則是1979年推出的Intel 8088，大概在1982年左右面世的IBM PC便使用了此微處理器。如果您熟悉PC市場及其歷史，便會知道PC市場經歷了從8088到80286、80386、80486，再到奔騰、奔騰II、奔騰III乃至奔騰4的發展過程。所有這些微處理器都是由英特爾制造的，而且都是對8088基本設計的改進。奔騰4可以執行最初的8088所能運行的所有代碼，但是它的速度是8088的5000倍。

微處理器的發展過程：Intel

下表可幫助您了解 Intel 在不同時間推出的不同處理器之間的差異。

名稱	日期	晶體管數量	微米	時鐘頻率	數據寬度	MIPS
8080	1974	6,000	6	2 MHz	8位	0.64
8088	1979	29,000	3	5 MHz	16位 8 位總線	0.33
80286	1982	134,000	1.5	6 MHz	16位	1
80386	1985	275,000	1.5	16 MHz	32位	5
80486	1989	1,200,000	1	25 MHz	32位	20
奔騰	1993	3,100,000	0.8	60 MHz	32位 64位總線	100
奔騰 II	1997	7,500,000	0.35	233 MHz	32位 64位總線	~300
奔騰 III	1999	9,500,000	0.25	450 MHz	32位 64位總線	~510
奔騰 4	2000	42,000,000	0.18	1.5 GHz	32位 64位總線	~1,700
奔騰 4“Prescott”	2004	125,000,000	0.09	3.6 GHz	32 位 64 位總線	~7,000

數據來自Intel微處理器快速參考指南和TSCP基準測試成績

與此表有關的信息：

什么是芯片？芯片又稱集成電路。通常，它是一個很小、很薄的硅片，上面蝕刻有組成微處理器的晶體管。芯片可能只有2.5厘米見方大小，但是卻包含幾千萬個晶體管。較簡單的處理器可能在幾毫米見方的芯片上刻有幾千個晶體管。

• 日期是該款處理器首次推出的年份。許多處理器會在首次發布之后在多年中不斷推出具有更高時鐘頻率的型號。
• 晶體管數量是指芯片上晶體管的數量。可以看到，芯片上包含的晶體管數量在逐年穩步上升。
• 微米是指芯片上最細的電路的寬度（單位為微米）。可以用人的頭發做個比較，頭發的寬度為100微米。隨著芯片外形尺寸不斷縮小，晶體管數量卻在不斷增加。
• 時鐘頻率是指芯片的最大時鐘速度。我們將在下一節中詳細介紹時鐘頻率。
• 數據寬度是指 ALU的寬度。8位的ALU可以對兩個8位（8比特）數字進行加減乘除運算，而32位的ALU可以計算32位的數字。8位ALU如果要對兩個 32位數字進行加法操作，必須執行四條相加指令，而32位ALU則只需要執行一條指令。很多情況下，外部數據總線的寬度與ALU相同，但也有不同的情況。8088的ALU為16位，而總線為8位，而現代的奔騰處理器的數據總線寬度為64位，ALU為32位。
• MIPS代表“每秒百萬條指令”，是衡量CPU性能的粗略標準。對于現代 CPU的許多工作，MIPS指標在很大程度上已經失去了意義，但是您可以將它作為一個大致的量度，根據本欄中的數據來了解CPU的性能強弱。

從本表中可以看到，總體來說，時鐘頻率和MIPS之間存在一定關系。最大時鐘頻率與制造工藝和芯片內的延遲密切相關。此外，在晶體管數量和MIPS之間也存在一定聯系。例如，8088的時鐘頻率為5MHz，但是只能以0.33MIPS的速度執行指令（大約每15個周期執行1條指令）。現代的處理器經常可以在每個時鐘周期內執行兩條指令。這種能力改進與晶體管的數量有直接關系，我們將在下一節中對此加以討論。

微處理器的結構

為了理解微處理器的工作原理，首先看看它的內部結構和了解其工作邏輯會很有幫助。在這個過程中，您還可以了解到匯編語言——微處理器的固有語言——以及工程師們為了提高處理器速度所做的大量工作。

微處理器執行一組機器指令，這組指令可向處理器告知應執行哪些操作。微處理器就會根據指令執行三種基本工作：

• 通過使用ALU（算術/邏輯單元），微處理器可以執行數學計算。例如：加法、減法、乘法和除法。現代的微處理器包含完整的浮點處理器，它可以對很大的浮點數執行非常復雜的浮點運算。
• 微處理器可以將數據從一個內存位置移動到另一個位置。
• 微處理器可以做出決定，并根據這些決定跳轉到一組新指令。

微處理器能夠執行許多非常復雜的工作，但是所有工作都屬于這三種基本操作的范疇。下圖顯示了一個能夠執行上述三種操作的非常簡單的微處理器：

這是一個進行了最大程度簡化的微處理器。此微處理器具有：

• 一條地址總線（總線寬度可以8位、16位或32位），用于向內存發送一個地址
• 一條數據總線（總線寬度可以是8位、16位或32位），能夠將數據發送到內存或從內存取得數據
• 一條RD（讀）和WR（寫）線路，告訴內存它是希望寫入某個地址位置還是獲得某個地址位置的內容
• 一條時鐘線路，將時鐘脈沖序列發送到處理器
• 復位線路，用于將程序計數器重置為零（或者其他內容）并重新開始執行

在本例中，我們假定地址和數據總線的寬度都是8位的。

以下是這個簡單的微處理器的各個組成部分：

• 寄存器A、B和C就是一些用觸發器制造的鎖存器。（有關詳細信息，請參見布爾邏輯的應用一文的“邊緣觸發鎖存器”部分。）
• 地址鎖存器與寄存器A、B和C極其類似。
• 程序計數器也是一個鎖存器，但是它有一種額外的能力，也就是能夠在執行每條語句后將計數器加一，并在被告知應進行重置時將計數器重置為零。
• ALU可以像一個8位加法器一樣簡單（有關詳細信息，請參見布爾邏輯的應用一文中有關加法器的部分），也可以較為復雜，能夠對8位的值進行加法、減法、乘法和除法運算。我們假定是后面一種加法器。
• 測試寄存器是一種特殊的鎖存器，可以存放在ALU中執行的比較運算的結果。ALU通常可以比較兩個數字，并確定它們是否相等以及其中一個數字是否大于另一個數字等。測試寄存器通常還可以保存加法器上一次計算產生的進位。它將這些值存放在觸發器中，隨后指令解碼器可以使用這些值做出決定。
• 圖中有六個標記有“3-State”（三態）的方框。它們是三態緩沖區。三態緩沖區可以輸出1、0或者徹底斷開其輸出（可以將其想像為一個將輸出線從電路中徹底斷開的開關）。三態緩沖區能夠將多種輸出連接到電路中，但是線路上的某一個輸出實際上代表的是1或0。
• 指令寄存器和指令解碼器負責控制所有其他組件。

有用的文章如果您不熟悉數字邏輯電路，以下文章可以幫您理解這部分內容： 位和字節 布爾邏輯的應用 電子門工作原理

雖然沒有顯示在此圖中，但實際上存在一些來自指令解碼器的控制線，它們的作用是：

• 通知A寄存器鎖存當前在數據總線上傳遞的值
• 通知B寄存器鎖存當前在數據總線上傳遞的值
• 通知C寄存器鎖存當前由ALU輸出的值
• 通知程序計數器寄存器鎖存當前在數據總線上傳遞的值
• 通知地址寄存器鎖存當前在數據總線上傳遞的值
• 通知指令寄存器鎖存當前在數據總線上傳遞的值
• 通知程序計數器進行遞增
• 通知程序計數器重置為零
• 激活所有六個三態緩沖區（六條單獨的線路）
• 通知ALU要執行的操作
• 通知測試寄存器鎖存ALU的測試位
• 激活RD線路
• 激活WR線路

來自測試寄存器和時鐘線路（以及指令寄存器）的數據位會進入到指令解碼器中。

RAM和ROM

上一節中我們討論了地址和數據總線，以及RD和WR線路。這些總線和線路連接到RAM或ROM——通常是同時連接到二者。在我們作為例子的微處理器中，有一個寬度為8位的地址總線和一個寬度為8位的數據總線。也就是說，該微處理器可以尋址(28) 256個字節的內存空間，并且可以向內存讀取或寫入8位的數據。我們假定這個簡單的微處理器有128字節的ROM，其地址從0開始，此外還有128字節的RAM，其地址從128開始。

ROM芯片

ROM代表只讀內存。ROM芯片使用永久性的預設字節進行了編程。地址總線通知ROM芯片應取出哪些字節并將它們放在數據總線上。當RD線的狀態更改后，ROM芯片會將選擇的字節放在數據總線上。

RAM芯片

RAM代表隨機存取內存。它包含多個字節的信息，微處理器可以讀取或寫入這些字節，而具體操作取決于信號是由RD線路給出的還是 WR 線路給出的。RAM 芯片的一個缺點是，在電源中斷后，保存的所有信息都會消失。這也就是為何計算機需要使用 ROM 的原因。

順便說一下，幾乎所有計算機都包含一定數量的 ROM（可以制造出不包括任何RAM的簡單計算機——許多微控制器便做到了這一點，方法是將少量的RAM字節放在處理器芯片自身中——但是，通常不可能制造出不包含任何ROM的計算機）。在PC中，ROM稱作BIOS（基本輸入輸出系統）。在微處理器啟動時，它開始執行在BIOS中找到的指令。BIOS指令會執行對計算機中的硬件進行測試這樣的工作，然后訪問硬盤以讀取啟動扇區（有關詳細信息，請參見硬盤工作原理）。該啟動扇區是另一個小型程序，在將其從磁盤中讀出后，BIOS將它存儲在RAM中。然后，微處理器開始從 RAM中執行啟動扇區的指令。啟動扇區程序會通知微處理器將其余指令從硬盤讀入RAM，微處理器隨后又會執行這些指令，以此類推。這就是微處理器加載和執行整個操作系統的過程。

微處理器指令

雖然前面例子中的微處理器非常簡單，但是它仍然可以執行相當多的指令。指令集通過位模式的方式實現，每一個位模式在加載到指令寄存器中后都有不同的含義。由于人們不能很好記住這些位模式，所以定義了一些簡短的單詞來表示不同的位模式。這些單詞的集合稱作處理器的匯編語言。匯編程序可以將這些單詞輕松翻譯成它們的位模式，然后會將匯編程序的輸出放在內存中供處理器執行。

以下是設計人員可以為例子中的微處理器建立的一組匯編語言指令：

• LOADA mem——將某個內存地址的數據加載到寄存器A中
• LOADB mem——將某個內存地址的數據加載到寄存器B中
• CONB con——將一個常量值加載到寄存器B中
• SAVEB mem——將寄存器B的內容保存到某個內存地址
• SAVEC mem——將寄存器C的內容保存到某個內存地址
• ADD——將A和B相加并將結果保存在C中
• SUB——將A和B相減并將結果保存在C中
• MUL——將A和B相乘并將結果保存在C中
• DIV——將A和B相除并將結果保存在C中
• COM——將A和B進行比較并將結果保存在測試寄存器中
• JUMP addr——跳轉到某個地址
• JEQ addr——如果相等則跳轉到某個地址
• JNEQ addr——如果不相等則跳轉到某個地址
• JG addr——如果大于則跳轉到某個地址
• JGE addr——如果大于或等于則跳轉到某個地址
• JL addr——如果小于則跳轉到某個地址
• JLE addr——如果小于或等于則跳轉到某個地址
• STOP——停止執行

如果你讀過C語言入門教程一文，那么會知道下面這段簡單的C代碼可計算5的階乘（5的階乘=5!=5X4X3X2X1=120）：

a=1; 
f=1; 
while (a<=5) 
{ 
    f=f*a; 
    a=a+1; 
} 

在程序執行末尾，變量f中包含了5的階乘。

匯編語言

C編譯器可將這段C代碼編譯為匯編語言。假定此處理器中RAM的地址從128開始，而ROM（包含匯編語言程序）的地址從0開始，那么對于我們這個簡單的微處理器來說，該匯編語言看起來如下所示：

// 假定a位于地址128處
// 假定F位于地址129處
0   CONB 1      // a=1; 
1   SAVEB 128 
2   CONB 1      // f=1; 
3   SAVEB 129 
4   LOADA 128   // 如果a>5，則跳轉到17
5   CONB 5 
6   COM 
7   JG 17 
8   LOADA 129   // f=f*a; 
9   LOADB 128 
10  MUL 
11  SAVEC 129 
12  LOADA 128   // a=a+1; 
13  CONB 1 
14  ADD 
15  SAVEC 128 
16  JUMP 4       // 進行循環，返回到比較部分 
17  STOP 

ROM

那么，現在的問題是：所有這些指令在ROM中是什么樣的？所有這些匯編語言指令必須以二進制數字的形式表示。為了簡單起見，我們假定每條匯編語言指令具有一個唯一的編號，如下所示：

• LOADA-1
• LOADB-2
• CONB-3
• SAVEB-4
• SAVEC mem-5
• ADD -6
• SUB -7
• MUL -8
• DIV -9
• COM -10
• JUMP addr -11
• JEQ addr -12
• JNEQ addr -13
• JG addr -14
• JGE addr -15
• JL addr -16
• JLE addr -17
• STOP -18

這些數字稱作opcode（優化代碼）。在ROM中，我們的小程序看起來如下所示：

// 假定a位于地址128處
// 假定F位于地址129處
地址 opcode/值 
0    3             // CONB 1 
1    1 
2    4             // SAVEB 128 
3    128 
4    3             // CONB 1 
5    1 
6    4             // SAVEB 129 
7    129 
8    1             // LOADA 128 
9    128 
10   3             // CONB 5 
11   5 
12   10            // COM 
13   14            // JG 17 
14   31 
15   1             // LOADA 129 
16   129 
17   2             // LOADB 128 
18   128 
19   8             // MUL 
20   5             // SAVEC 129 
21   129 
22   1             // LOADA 128 
23   128 
24   3             // CONB 1 
25   1 
26   6             // ADD 
27   5             // SAVEC 128 
28   128 
29   11            // JUMP 4 
30   8 
31   18            // STOP 

您可以看到，七行C代碼變成了18行匯編語言，并且變成了ROM中的32個字節。

解碼

指令解碼器需要將每個opcode轉變為一組能夠驅動微處理器內部各個部件的信號。讓我們以ADD指令為例，看看解碼器都執行了哪些工作：

1. 在第一個時鐘周期，我們需要實際載入該指令。因此，指令解碼器需要：
   • 激活程序計數器的三態緩沖區
   • 激活RD線路
   • 激活data-in（讀入數據）三態緩沖區
   • 將指令鎖存在指令寄存器中
2. 在第二個時鐘周期中，對ADD指令進行解碼。需要做的工作很少：
   • 將ALU的操作設置為加法
   • 將ALU的輸出鎖存到C寄存器中
3. 在第三個時鐘周期中，程序計數器會進行遞增（理論上這個過程與第二個時鐘周期是重疊進行的）。

所有指令都會像這樣分解成一組有序操作，按照正確的順序操作微處理器的各個組件。有些指令（例如這條ADD指令）需要2或3個時鐘周期即可完成。而其他指令則可能需要5或6個時鐘周期才能完成。

微處理器的性能和發展趨勢

可用晶體管的數量對處理器性能有巨大影響。如上所述，在8088這樣的處理器中，通常要花費15個時鐘周期才能執行一條指令。由于乘法器的設計方式，在 8088上進行16位的乘法運算大約需要80個時鐘周期。而晶體管越多，就越有可能在一個周期中執行更多的乘法運算。

晶體管數量的增多還使我們能夠使用一種稱為流水線的技術。在流水線式的體系結構中，指令的執行過程是相互重疊的。所以，雖然需要花費5個時鐘周期來執行每條指令，但是可以同時執行5條指令的各個階段。這樣，表面看起來在每個時鐘周期內即可執行完一條指令。

許多現代的處理器具有多個指令解碼器，每一個都有自己的流水線。這樣便存在多個指令流，也就是說每個時鐘周期可以完成多條指令。但是這種技術實現起來非常復雜，因此需要使用大量的晶體管。

發展趨勢

處理器設計的發展趨勢主要是：完全32位的ALU（內置快速浮點處理器）和多指令流的流水線式執行方式。處理器設計的最新進展是64位ALU，預計在下一個十年中家用PC就會用上這種處理器。此外，還存在為處理器添加可高效執行某些操作的特殊指令（例如MMX指令）的趨勢，以及在處理器芯片中增加硬件虛擬內存支持和L1緩存的趨勢。所有這些趨勢都進一步增加了晶體管的數量，導致現在的處理器包含數千萬個晶體管。而這些處理器每秒大約可以執行十億條指令！

64位處理器

64位處理器在1992年就已經開發成功，預計它們在21世紀將逐步成為主流產品。I英特爾和AMD都開發出了64位芯片，Mac G5也是一款64位處理器產品。64位處理器具有64位ALU、64位寄存器、64位總線等等。

人們需要64位處理器的原因之一是它們具有更大的地址空間。32位芯片通常只能訪問最大2GB或4GB的RAM空間。這聽起來似乎是一個很大的空間，是因為當前的大多數家用計算機只配備了256MB到512MB的RAM。但是，對于服務器和運行大型數據庫的計算機來說，4GB的內存空間限制是一個嚴重問題。而且，即使是家用計算機，如果按照當前趨勢繼續發展，也很快會遇到2GB或4GB限制這個問題。64位芯片則不存在上述限制，因為在可以預見的未來，64位RAM地址空間都可以說是一個無限大的地址空間——2^64字節的RAM大概相當于十億吉字節的 RAM。

憑借64位地址總線以及主板上寬闊的高速數據總線，64位計算機還可以為硬盤驅動器和顯卡這樣的設備提供更快的I/O（輸入/輸出）速度。這些特點可極大地提升系統的性能。

服務器肯定會受益于64位技術，但是它對于普通用戶有何意義呢？除了解除RAM限制之外，目前我們還不是很清楚64位芯片能夠為普通用戶提供那些切實的好處。但是它們可以更快地處理數據（能夠計算很復雜的實數）。進行視頻編輯和處理超大圖像的人會受益于這種強大的計算能力。高端游戲也會從中受益，但是需要對它們進行重新編碼以利用64位技術。而閱讀電子郵件、瀏覽網絡和編輯Word文檔的人實際則不需要使用這種處理器。