3.2 CPU的結構與原理

一、知識點綜述

1.CPU的結構（***）

（1）CPU的任務及工作原理

CPU的任務是取指令并完成指令所規定的操作。人們現在所用的計算機都是按照數學家馮·諾依曼提出的“存儲程序控制”的原理進行工作的，具體如下：

① 程序（指令）和數據均以二進制編碼表示，預先存放在存儲器中。

② 程序運行時，CPU從內存中一條一條取出指令和相應數據，按指令操作碼的規定，對數據進行運算處理，直到程序執行完畢為止。

（2）CPU的組成

① 運算器。

運算器也叫算術邏輯運算部件（ALU），用來對數據進行算術運算和邏輯運算。CPU有多個ALU部件，有的負責處理整數，有的負責處理實數或者特殊運算。

② 控制器。

控制器是CPU的指揮中心。指令計數器存放正在執行指令的地址，執行完一條指令后自動加1。指令寄存器用來保存當前正在執行的指令，通過譯碼器解釋指令的含義控制運算器操作，記錄CPU內部狀態。

③ 寄存器組。

CPU除了運算器和控制器外，一般還包含幾十個寄存器，稱為寄存器組。寄存器組用來臨時存放參加運算的數據和得到的中間結果。

2.指令和指令系統（****）

（1）指令、指令組成、指令系統

指令就是命令，它用來規定CPU執行什么操作。指令是構成程序的基本單位，采用二進位表示。大多數情況下，指令由操作碼和操作數兩個部分組成。

操作碼：指出CPU應執行何種操作，如加、減、乘、除、取數、存數等。

操作數地址：指出該指令所操作（處理）的數據或者數據所在位置。

CPU所能執行的全部指令的集合，稱為該CPU的指令系統。Pentium系列等處理器在其發展過程中，其指令系統越來越豐富，有數百條不同的指令。

（2）指令在計算機中的執行過程

取指令：CPU的控制器從存儲器讀取一條指令并放入指令寄存器。

指令譯碼：指令寄存器中的指令經譯碼，指明該指令應進行何種操作、操作數在哪里。

執行指令：取操作數進行運算，結果保存到寄存器，需要時保存到內存。

修改指令計數器：決定下一條指令的地址。

（3）CPU的兼容性

同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性。

不同公司生產不同的CPU產品各有自己的指令系統，它們可能兼容，也可能不兼容，如Intel公司和AMD公司產品互相兼容，而與其他公司，如IBM公司、SUN公司等是不兼容的。

3.CPU的性能指標（***）

（1）衡量CPU性能的方法

計算機的性能主要表現在程序執行速度的快慢，它由許多因素決定，如CPU、內存、硬盤、顯卡等，但通常CPU是主要因素。

CPU性能高低的主要指標是CPU的速度，有兩種衡量方法：計算每秒可執行的指令數目（單位為MIPS、MFLOPS）及使用常用軟件的執行速度。

（2）CPU的性能指標

① CPU的字長（位數）。

字長是CPU整數寄存器和定點運算器的寬度，目前PC機使用的CPU大多數是32位或64位。

② 主頻（CPU時鐘頻率）。

主頻是CPU中電子線路的工作頻率，主頻越高，速度越快。

③ CPU總線速度。

前端總線的工作頻率和數據線寬決定CPU與內存間傳輸數據的速度。

④ 高速緩存（Cache）的容量與結構。

使用Cache的目的是減少CPU訪問內存的次數，解決CPU與內存之間速度不匹配的問題。Cache容量越大、級數越多，其效果就越明顯。

⑤ CPU的指令系統。

指令的類型和數目、指令的功能都會影響程序的執行速度。

⑥ CPU的邏輯結構。

CPU包含的運算器數目、是否有數字信號處理能力、有無指令預測和數據預測功能、流水線結構和級數等都對指令執行的速度有影響。

二、真題解析

1.下列有關PC機微處理器的敘述中，錯誤的是________。（2011年秋基礎第4題）

A.目前PC機所用的各種微處理器均由Intel公司設計和生產

B.微處理器通常由單片集成電路制成

C.一臺高性能PC機中通常包含多個微處理器

D.臺式PC機與筆記本PC機采用的微處理器通常有所不同

【解析】現在大部分PC機使用Intel公司的微處理器作為CPU，有些PC機使用AMD公司的微處理器。

【答案】A

2.在下列有關PC機的CPU的敘述中，錯誤的是________。（2009年秋基礎第4題）

A.CPU中包含幾十個甚至上百個寄存器，用來臨時存放數據、指令和控制信息

B.所有PC機的CPU都具有相同的指令系統，因而PC機可使用相同的軟件

C.一臺計算機至少包含1個CPU，也可以包含2個、4個、8個甚至更多個CPU

D.Intel公司是國際上研制和生產CPU的主要公司，我國也能生產CPU

【解析】不同公司的不同CPU產品其指令系統不同，它們未必互相兼容。

【答案】B

3.下列有關CPU的敘述中錯誤的是________。（2007年春基礎第5題）

A.CPU的主要組成部分有運算器、控制器和寄存器組

B.CPU的主要功能是執行指令，不同類型CPU的指令系統通常有所不同

C.為了加快運算速度，CPU中可包含多個算術邏輯部件（ALU）

D.目前PC機所用的CPU芯片均為Intel公司的產品

【解析】不同公司生產不同的CPU產品，Intel公司的Pentium系列、賽揚系列、至強等，AMD公司的獨龍、閃龍、炫龍等，IBM公司的Power5、Power6等（蘋果的Macintosh使用），SUN公司的Ultra SPARC處理器，HP公司的PA-RISC、Itanium處理器等。Intel公司Pentium系列的各種微處理器，屬于同一系列，其指令是“向下兼容的”。一般來說，Intel公司和AMD公司產品互相兼容，其他公司的指令系統未必互相兼容。

【答案】D

4.CPU的運算速度與許多因素有關，提高CPU速度的有效措施是________。（2008年春基礎第3題）

① 增加CPU中寄存器的數目

② 提高CPU的主頻

③ 增加CPU中高速緩存（Cache）的容量

④ 優化BIOS的設計

A.①、③和④

B.①、②和③

C.①和④

D.②、③和④

【解析】與CPU性能指標相關的因素包括：字長、主頻、CPU總線速度、高速緩存的容量與結構、指令系統、邏輯結構。寄存器是CPU的一個組成部分，增加寄存器數目也可以提高CPU速度，而BIOS存放在ROM中，與CPU無關。

【答案】B

5.在下列4個Intel微處理器產品中，采用雙核結構的是________。（2010年春基礎第5題）

A.Core 2 Duo

B.Pentium PRO

C.Pentium Ⅲ

D.Pentium 4

【解析】上述4個Intel微處理器是按如下順序發展來的：Pentium PRO、Pentium Ⅲ、Pentium 4、Core 2 Duo，只有Core 2 Duo采用雙核結構。

【答案】A