CPU的原理.docVIP

CPU的原理随着去年AMD?Athlon的推出，两大CPU厂商Intel和AMD之间的竞争愈演愈烈，几乎每个月都有新的CPU推出，各个媒体和网上也充斥着各种各样的评测性文章。????但是，现在我要问一句：“什么是CPU？”我相信大多数人并不知道什么是CPU。当然，你可以回答CPU是中央处理器，或者来一句英文：Central?Processing?Unit。是的，没错。但，RISC和CISC是什么？什么是“9路超标量设计”、“20级流水线”？什么是“解码”，为什么Athlon和PIII的解码过程需要的时钟周期大大大于其他的RISC处理器?这些都不是一句“中央处理器”所能够回答的。????本文希望以比较通俗的语言深入介绍一下CPU的原理。 一、?指令系统????要讲CPU，就必须先讲一下指令系统。指令系统指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。比如我们现在所用的CPU都是采用x86指令集的，他们都是同一类型的CPU，不管是PIII、Athlon或Joshua。我们也知道，世界上还有比PIII和Athlon快得多的CPU，比如Alpha，但它们不是用x86指令集，不能使用数量庞大的基于x86指令集的程序，如Windows98。之所以说指令系统是一个CPU的根本属性，是因为指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。????所有采用高级语言编出的程序，都需要翻译（编译或解释）成为机器语言后才能运行，这些机器语言中所包含的就是一条条的指令。1、?指令的格式????一条指令一般包括两个部分：操作码和地址码。操作码其实就是指令序列号，用来告诉CPU需要执行的是那一条指令。地址码则复杂一些，主要包括源操作数地址、目的地址和下一条指令的地址。在某些指令中，地址码可以部分或全部省略，比如一条空指令就只有操作码而没有地址码。????举个例子吧，某个指令系统的指令长度为32位，操作码长度为8位，地址长度也为8位，且第一条指令是加，第二条指令是减。当它收到一个“00000010000001000000000100000110”的指令时，先取出它的前8位操作码，分析得出这是一个减法操作，有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。于是，CPU就到内存地取出被减数，取出减数，送到ALU中进行减法运算，然后把结果送。????这只是一个相当简单化的例子，实际情况要复杂的多。2、?指令的分类与寻址方式????一般说来，现在的指令系统有以下几种类型的指令：（１）算术逻辑运算指令????算术逻辑运算指令包括加减乘除等算术运算指令，以及与或非异或等逻辑运算指令。现在的指令系统还加入了一些十进制运算指令以及字符串运算指令等。（２）浮点运算指令????用于对浮点数进行运算。浮点运算要大大复杂于整数运算，所以CPU中一般还会有专门负责浮点运算的浮点运算单元。现在的浮点指令中一般还加入了向量指令，用于直接对矩阵进行运算，对于现在的多媒体和3D处理很有用。（３）位操作指令????学过C的人应该都知道C语言中有一组位操作语句，相对应的，指令系统中也有一组位操作指令，如左移一位右移一位等。对于计算机内部以二进制不码表示的数据来说，这种操作是非常简单快捷的。（４）其他指令????上面三种都是运算型指令，除此之外还有许多非运算的其他指令。这些指令包括：数据传送指令、堆栈操作指令、转移类指令、输入输出指令和一些比较特殊的指令，如特权指令、多处理器控制指令和等待、停机、空操作等指令。????对于指令中的地址码，也会有许多不同的寻址（编址）方式，主要有直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，基址寻址，变址寻址等，某些复杂的指令系统会有几十种甚至更多的寻址方式。3、?CISC与RISC????CISC，Complex?Instruction?Set?Computer，复杂指令系统计算机。RISC，Reduced?Instruction?Set?Computer，精简指令系统计算机。虽然这两个名词是针对计算机的，但下文我们仍然只对指令集进行研究。（１）CISC的产生、发展和现状????一开始，计算机的指令系统只有很少一些基本指令，而其他的复杂指令全靠软件编译时通过简单指令的组合来实现。举个最简单的例子，一个a乘以b的操作就可以转换为a个b相加来做，这样就用不着乘法指令了。当然，最早的指令系统就已经有乘法指令了，这是为什么呢？因为用硬件实现乘法比加法组合来得快得多。????由于那时的计算机部件相当昂贵，而且速度很慢，为了提高速度，越来越多的复杂指令被加入了指令系统中。但是，很快又有一个问题：一个指令系统的指令数是受指令操作码的位数所限制的，如