微处理器概述 CPU的基本概念和组成

CPU (中央处理器) CPU又叫中央处理器，是英文单词Central Processing Unit的缩写，是整个计算机系统的核心。负责整个系统指令的执行，对数据信息进行数学与逻辑运算和处理；数据的存储与传送；以及对内对外输入与输出的控制，并实现本身运行过程的自动化。早期微处理器以MPU表示，以区别于大型主机的多芯片CPU。但现在已经不加区分，都用CPU表示。现在的MPU用来特指一些嵌入式系统的中央处理单元。 CPU是微机的核心芯片，它的性能也就大体上反映了它所配置的那部微机的性能和档次。

学习目标 本章着重介绍8086/8088的硬件结构和指令系统，它是Intel系列微处理器的基础。通过本章学习，应该了解和掌握以下内容： ⅰ:8086/8088CPU的组成、引脚功能和工作模式。 ⅱ:时序基本概念。 ⅲ:微处理器的发展历程,主流CPU及其最新技术 .

微处理器的基本框图

8086的引脚图

8088的结构图

CPU的类型

通用CPU和嵌入式CPU 的分别: ☆通用CPU: ☆嵌入式CPU: 嵌入式CPU在功能和性能上有很大的变化范围。嵌入式应用中，把CPU、存储器和一些外围电路集成到一个芯片上，构成所谓的系统芯片（简称为SOC），而把SOC上的那个CPU称为CPU芯核。

通用CPU的内核 ⑴算术逻辑运算单元ALU 从结构上说，任何CPU都包括运算器（算术逻辑运算 单元Arithmetic Logic Unit；ALU）、控制器（Control Unit；CU）和寄存器（Register）三个主要组成部分。 ⒈运算器 ⑴算术逻辑运算单元ALU ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与、或、非、异或等等）以及移位、循环等操作。 ⑵浮点运算单元FPU（Floating Point Unit） FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算．有些FPU　　　　　　　　　　具有向量运算的功能．

时序控制器的作用是为每条指令按时间顺序提供控制信号． ⑶总线控制器 总线控制器主要用于控制CPU与外界联系的内外部总线上的操作。 ⒉控制器 控制器用于控制着整个CPU的工作。 ⑴指令控制器 　指令控制器是要完成取指令、分析指令等操作，然后给执行单元（ALU或FPU）来执行，同时还要形成下一条指令的地址。 ⑵时序控制器 　时序控制器的作用是为每条指令按时间顺序提供控制信号．　 ⑶总线控制器 　总线控制器主要用于控制CPU与外界联系的内外部总线上的操作。

⒊内部寄存器组 寄存器（Register）是CPU内部的高速存储单元。 ⑷中断控制器 中断控制器用于控制各种各样CPU外部的中断请求 ． ⑴运算寄存器 运算寄存器包括累加器A（Accumulator）和暂存器。 ⑵数据寄存器DR(Data Register) 用来暂存从内存读出的数据和指令． ⑶地址寄存器AR(Address Register) 用来存放CPU所要访问的内存单元的地址．

⑷标志寄存器FR（Flag Register） 　　保存运算结果的数字特征以及运算过程中状态的变化。 ⑸程序计数器PC（Program Counter） 　　用来存放CPU正要从内存中取出的指令的地址。 ⑹通用寄存器组 　　通用寄存器组是一组存储器，可以由程序员指定其用途，通常用来保存参加运算的操作数和中间结果。 ⑺专用寄存器 　　专用寄存器通常是一些状态寄存器，不能通过程序改变，由CPU自己控制，表明某种状态。

　　　寄存器的组成图

　　　２.CPU的外核

解码器 ⑵一级缓存和二级缓存（Cache） （1）解码器（Decode Unit） 　　　　　　　硬件解码 　解码器　　 　　　　　　　微解码 作用： 　把长度不定的x86指令转换为长度固定的指令，并　　　　　　　　　交由内核处理。 ⑵一级缓存和二级缓存（Cache） 　一级缓存和二级缓存是为了缓解较快的CPU与较慢的存储器之间的矛盾而产生的，一级缓存（L1）通常集成在CPU内核，而二级缓存（L2）则是以OnDie或OnBoard（组元）的方式以较快于存储器的速度运行。

３.指令系统 指令系统指的是CPU所能够处理的全部指令的集合，是CPU的根本属性，因为它决定了CPU能够运行什么样的程序。 4. CPU的构架和封装方式 CPU的构架 CPU构架是按CPU的安装插座类型和规格确定的。 (2) CPU的封装方式 所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的插槽与其他器件相连接。

CPU主要技术参数 ⅰ位、字节和字长 8位微处理器 64位微处理器 ①位（bit）：在数字电路和电脑技术中采用二进制，代 码只有“0”和“1”，其中无论是“0”或是“1”在CPU中都占一“位”。 ②字节（byte）和字长： 通常把CPU能进行一次最基本的运算的二进制数的位数叫字长。 8位微处理器 按字 16位微处理器 长分 32位微处理器 64位微处理器

ⅱCPU外频与主频 ① ⅲ前端总线（FSB）频率 ⅳ高速缓冲存储器（L1和L2 Cache）的容量和速率 ②CPU的内核实际运行频率被称为主频，主频的高低直接影响CPU的运算速度，即CPU每秒钟运算的次数。 ⅲ前端总线（FSB）频率 　前端总线也就是以前所说的CPU总线，一般主板上前端总线频率与内存总线频率相同。 ⅳ高速缓冲存储器（L1和L2 Cache）的容量和速率

为了加快CPU的运行速度，普遍在CPU和常规主存之间增设一级或二级高速小容量存储器，称为高速缓冲存储器，简称Cache ⅰ流水线技术 　流水线（pipeline）是InteI首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就像工业生产上的装配流水线。 ⅱ超流水线和超标量技术 ①超流水线： 　是指某些CPU内部的流水线超过通常的5~6步以上 ． ②超标量 　是指在CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令，这种设计就叫超标量技术。

ⅲ乱序执行技术 ⅳ动态执行技术 ⅴ指令特殊扩展技术 乱序执行 ： 动态执行 ： 　是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序，分开发送给各相应电路单元处理的技术。 ⅳ动态执行技术 动态执行 ： 　分支预测（Branch Prediction）和推测执行（Epeculation Execution）是CPU动态执行技术中的主要内容。 ⅴ指令特殊扩展技术 　至今，对大多数计算机而言，一条指令只能执行一次计算。此类计算机采用的是“单指令单数据”（SISD）处理器。

ⅵ处理器的体系结构（IA）与微体系结构： ①体系结构 ： 　是指令集、寄存器和程序员公用的内存驻留的数据结构，它们在处理器的发展进程中得到继承和增强。 ②微体系结构 ： 是处理器在硅片上的实现。