2.1 微處理器的主要性能指標(biāo)

微處理器的性能指標(biāo)基本上確定了由其組成的微計(jì)算機(jī)的功能。由于微處理器的性能不斷增強(qiáng)，對(duì)其評(píng)價(jià)的性能指標(biāo)也發(fā)生著變化，但歸結(jié)起來，主要性能指標(biāo)如下所述。

1.字長(zhǎng)

微處理器的字長(zhǎng)是指它在交換、加工和存放信息時(shí)，其信息位的最基本的長(zhǎng)度，由它決定了一次傳送的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，如有4位、8位、16位、32位和64位等。字長(zhǎng)決定著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和運(yùn)算精度。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，一個(gè)字所能表示的數(shù)據(jù)精度就越高，在完成同樣精度的運(yùn)算時(shí)，數(shù)據(jù)處理速度就越快。例如，一個(gè)16位的數(shù)，8位微處理器需要進(jìn)行兩次傳送處理，而16位微處理器只需一次。

字長(zhǎng)由微處理器對(duì)外數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)總線條數(shù)決定。同時(shí)，字長(zhǎng)又確定了微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的通用寄存器、運(yùn)算器、內(nèi)部緩沖器的位數(shù)。一般情況下，CPU的內(nèi)部數(shù)據(jù)通道和外部數(shù)據(jù)總線寬度是一致的，但現(xiàn)代的CPU為提高內(nèi)部運(yùn)算能力，加寬了內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，使得內(nèi)部字長(zhǎng)和對(duì)外數(shù)據(jù)總線寬度不一致。

2.指令數(shù)

指令是計(jì)算機(jī)完成某種操作的命令。一臺(tái)微計(jì)算機(jī)可以有幾十到幾百種指令。一臺(tái)微計(jì)算機(jī)完成的操作種類越多，即指令數(shù)越多，表示該機(jī)的功能越強(qiáng)。在IA-32結(jié)構(gòu)的微處理器中，8086/8088的指令數(shù)是個(gè)基礎(chǔ)數(shù)，后面推出的微處理器就在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，而成為8086/8088指令系統(tǒng)的母集。

3.運(yùn)算速度

運(yùn)算速度是計(jì)算機(jī)完成任務(wù)的時(shí)間指標(biāo)。計(jì)算機(jī)完成一個(gè)具體任務(wù)所需的一組指令稱為程序。執(zhí)行程序所花的時(shí)間就是完成該任務(wù)的時(shí)間。花時(shí)越短，運(yùn)算速度越高。但是，微處理器的各種指令的執(zhí)行時(shí)間是不一樣的。為了統(tǒng)一衡量的標(biāo)準(zhǔn)，選用了實(shí)現(xiàn)同一種操作的指令，即寄存器加法指令作為基本指令，它的執(zhí)行時(shí)間就定義為基本指令執(zhí)行時(shí)間，用微秒（μs）表示，也可用每秒能執(zhí)行多少條基本指令來表示。目前，微計(jì)算機(jī)速度一般可達(dá)數(shù)百萬條指令/秒（MIPS）。基本指令執(zhí)行時(shí)間由CPU的時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）及所用時(shí)鐘周期數(shù)決定。因此，現(xiàn)代CPU的運(yùn)算速度又以主頻的大小來衡量。例如，P4微處理器2002年11月發(fā)布的主頻為3.06GHz，比之2000年首次發(fā)布的1.5GHz又提速一倍多。

4.訪存空間

訪存空間是指由微處理器構(gòu)建系統(tǒng)所能訪問的存儲(chǔ)單元數(shù)（或稱存儲(chǔ)容量）。此單元數(shù)是由傳送地址信息的地址總線的條數(shù)決定的。例如，8086 CPU有20條地址線，所能編出的地址碼有220=1048576種，即由它區(qū)分的存儲(chǔ)單元就有1048576個(gè)。計(jì)算機(jī)中常用字節(jié)、頁面、KB、MB、GB、TB等單位來表示存儲(chǔ)容量。每個(gè)存儲(chǔ)單元的二進(jìn)制位容量用字節(jié)表示，即1字節(jié)（Byte）=8位（bit），而1頁面=256（28）B（字節(jié)），1KB≈1024（210）B，1MB≈1024K（220）B，1GB≈1024M（230）B，1TB≈1024G（240）B。

5.高速緩存大小

主存儲(chǔ)器通常由大規(guī)模MOS電路構(gòu)成，其工作速度要比CPU慢一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)運(yùn)行程序時(shí)，CPU要頻繁地訪問內(nèi)存，從中讀取指令代碼和交換數(shù)據(jù)，從而對(duì)CPU速度形成瓶頸，特別是對(duì)現(xiàn)代微處理器，這種現(xiàn)象更為突出。為緩解這種瓶頸就需要在CPU與主存儲(chǔ)器之間建立高速緩存（Cache）。自80486 CPU之后，已把Cache集成進(jìn)CPU內(nèi)部，形成多級(jí)Cache結(jié)構(gòu)，并用L1表示第一級(jí)，用L2表示第二級(jí)。高速緩存器的大小對(duì)CPU的運(yùn)算速度也有很大的影響，特別對(duì)執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算和多媒體功能更為顯著。

6.虛擬存儲(chǔ)空間

虛擬存儲(chǔ)空間是通過硬件和軟件的綜合來擴(kuò)大用戶可用存儲(chǔ)空間，它是在內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器（磁盤、光盤）之間增加一定的硬件和軟件支持，使兩者形成一個(gè)有機(jī)整體，支持運(yùn)行比實(shí)際配置的內(nèi)存容量大得多的大任務(wù)程序。程序預(yù)先放在外存儲(chǔ)器中，在操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和調(diào)度下，按照某種置換算法依次調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器由CPU執(zhí)行。這樣，CPU看到的是一個(gè)速度接近內(nèi)存卻具有外存容量的假想存儲(chǔ)器，稱為虛擬存儲(chǔ)器。具有保護(hù)模式的80286以上的CPU均支持虛擬存儲(chǔ)空間。一般虛擬存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)大于實(shí)地址訪存空間。

7.是否能構(gòu)成多處理器系統(tǒng)

若微處理器具有協(xié)處理器接口，則可構(gòu)成多處理器系統(tǒng)。這樣，可將主處理器CPU的某些任務(wù)，如浮點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)算、輸入/輸出由協(xié)處理器去完成，從而使整個(gè)系統(tǒng)功能上百倍地增加。在16位微處理器之前的CPU不具有本性能。現(xiàn)代微處理器則把協(xié)處理器集成到CPU的芯片中。

8.工藝形式及其他

采用不同工藝形式制造的微處理器，其性能的差別，對(duì)使用環(huán)境的要求以及其他的控制功能（包括中斷、等待、保持和復(fù)原等）、封裝形式、所用電源電壓、功耗等方面的性能在自行設(shè)計(jì)選用時(shí)也是應(yīng)注意的指標(biāo)。

表2-1列出了IA-32結(jié)構(gòu)微處理器家族產(chǎn)品的主要性能，以便在選用時(shí)進(jìn)行比較。

IA-32結(jié)構(gòu)的系列微處理器在當(dāng)今應(yīng)用中已占據(jù)主流。本章將選其作為學(xué)習(xí)的內(nèi)容。本書將從整體出發(fā)，從具體入手，以8086為切入點(diǎn)，從功能擴(kuò)展的角度，以補(bǔ)充的方式來學(xué)習(xí)后續(xù)的80x86及Pentium微處理器。這種安排是因?yàn)椋阂环矫妫?086的指令系統(tǒng)是本結(jié)構(gòu)CPU指令系統(tǒng)的基本部分，具有向上兼容性；另一方面，從表2-1可見，對(duì)于組成微計(jì)算機(jī)的諸多接口芯片，從80486微計(jì)算機(jī)開始，已經(jīng)又進(jìn)一步把它們集成在兩塊芯片組（Chipset）中，因此無論是作為講解組成原理、系統(tǒng)連接還是自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)，選用分立的接口芯片都要比集成芯片組來得直觀，易于理解和實(shí)用。