central processing unit
計算機中負責取指令,對指令譯碼並執行指令的核心部件。簡稱CPU。
結構 中央處理器包括運算邏輯部件、寄存器部件和控制部件。中央處理器從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令,放入指令寄存器,並對指令譯碼。它把指令分解成壹系列的微操作,然後發出各種控制命令,執行微操作系列,從而完成壹條指令的執行。指令是計算機規定執行操作的類型和操作數的基本命令。指令是由壹個字節或者多個字節組成,其中包括操作碼字段、壹個或多個有關操作數地址的字段以及壹些表征機器狀態的狀態字和特征碼。有的指令中也直接包含操作數本身。指令的操作類型壹般分為算術邏輯操作、數據傳送操作、存儲訪問操作、輸入輸出和總線操作以及系統控制操作。系統控制包括確定機器狀態(用戶狀態或管理狀態)、控制轉移和中斷陷阱等異常事故處理。
①運算邏輯部件。可以執行定點或浮點的算術運算操作、移位操作以及邏輯操作,也可執行地址的運算和轉換。
②寄存器部件。包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分定點數和浮點數兩類,它們用來保存指令中的寄存器操作數和操作結果。通用寄存器是中央處理器的重要組成部分 ,大多 數 指令都要訪問到通用寄存器。通用寄存器的寬度決定計算機內部的數據通路寬度,其端口數目往往可影響內部操作的並行性。專用寄存器是為了執行壹些特殊操作所需用的寄存器。控制寄存器通常用來指示機器執行的狀態,或者保持某些指針,有處理狀態寄存器、地址轉換目錄的基地址寄存器、特權狀態寄存器、條件碼寄存器、處理異常事故寄存器以及檢錯寄存器等。
有的中央處理器還設有堆棧寄存器。堆棧可以放在存儲器中,也可放在中央處理器中。在 CPU 中設置寄存器形式的堆棧,其優點是工作速度較快,堆棧可以用默認地址的方式向運算邏輯指令提供操作數和存放操作結果,這樣可以簡化或省去尋址操作。堆棧寄存器還常用於中斷和調用操作中的保護和恢復現場。
③控制部件。主要負責對指令譯碼,並且發出為完成每條指令所要執行的各個操作的控制信號。其結構有兩種:壹種是以微存儲為核心的微程序控制方式;壹種是以邏輯硬布線結構為主的控制方式。微存儲中保持微碼,每壹個微碼對應於壹個最基本的微操作,又稱微指令;各條指令是由不同序列的微碼組成,這種微碼序列構成微程序。中央處理器在對指令譯碼以後,即發出壹定時序的控制信號,按給定序列的順序以微周期為節拍執行由這些微碼確定的若幹個微操作,即可完成某條指令的執行。簡單指令是由(3~5)個微操作組成,復雜指令則要由幾十個微操作甚至幾百個微操作組成。邏輯硬布線控制器 則完全是由隨 機邏輯組成 。 指令譯碼後,控制器通過不同的邏輯門的組合,發出不同序列的控制時序信號,直接去執行壹條指令中的各個操作。
應用 大型、小型和微型計算機的中央處理器的規模和實現方式很不相同,工作速度也變化較大。中央處理器可以由幾塊電路塊甚至由整個機架組成。如果中央處理器的電路集成在壹片或少數幾片大規模集成電路芯片上,則稱為微處理器(見微型機)。中央處理器的工作速度與工作主頻和體系結構都有關系。中央處理器的速度壹般都在幾個MIPS(每秒執行100萬條指令)以上。有的已經達到幾百 MIPS 。速度最快的中央處理器的電路已采用砷化鎵工藝。
在提高速度方面,流水線結構是幾乎所有現代中央處理器設計中都已采用的重要措施。未來,中央處理器工作頻率的提高已逐漸受到物理上的限制,而內部執行性(指利用中央處理器內部的硬件資源)的進壹步改進是提高中央處理器工作速度而維持軟件兼容的壹個重要方向。
中央處理器的設計和應用有關。有的中央處理器的同壹芯片上還包含有各種協處理器,協助處理計算機指令系統中某些部分的指令,例如,浮點數處理器、圖形處理器和信號處理器等等。除此之外,還有壹些面向高級語言( 如Ada )的中央處理器,也有直接執行高級語言的中央處理器,但這些中央處理器成為批量生產的商品的並不多。