CPU 基本知識

CPU (Central Processing Unit,中央處理單元),它是使整部電腦能夠運作的最核心、最重要的元件。

作用
當電腦系統開始運作時,CPU從記憶體內,讀取操作它的軟體的指令與資料,透過ALU運算出結果後存回記憶體,同時由主機板,與外界的I/O週邊溝通,達到資料處理的目的。

內部邏輯
CPU為控制整部電腦運作的中心樞紐,

內部包括:
1控制單元(CU):翻譯程式中的指令的解碼功能及協調控制各部門依指令執行使電腦自動化處理資料
2算術及邏輯單元:(ALU,arithmetic-logic unit):加、減、乘、除及比較、選擇、判斷等運算
3暫存器(Register):暫時儲存資料,如用來儲存運算的累積器。其功能與記憶體相似。
記憶單元::儲存目前正要被處理運算的程式或資料,容量以KB為單位

輸入單元(Input,I/P)::鍵盤、滑鼠等。
輸出單元(Output,O/P):負責將CPU處理結果輸出,輸出於各種輸出設備上,如:印表機、磁碟機等。

CPU內部較重要的暫存器:

1.程式計數器PC (Program Counter):負責儲存CPU下一次所要執行的記憶體位址。
2.指令暫存器IR (Instruction Register):負責儲存CPU所要執行的指令。
3.堆疊指標器SP (Stack Pointer):負責儲存CPU目前使用的堆疊位址。
4.位址暫存器MAR:負責儲存CPU所要存取記憶體資料的位址。

微電腦的基本結構

1.位址匯流排Address Bus:
負責傳送CPU所要存取資料的位址,它可以決定CPU所能處理的記憶體容量,N條位址線可以擁有2的N次方的記憶空間,而其位址為0至2的N次方來減1。

2.資料匯流排Data Bus:
負責傳送CPU所要存取的資料,其線數的多少代表CPU的字組(Word),亦即CPU一次所能存取資料的基本單位,常稱N位元CPU亦就是此CPU有N條資料線

3.控制匯流排Control Bus:
負責傳送CPU所發出的控制訊號

衡量CPU的性能有下列幾項:

1.內部運算架構(Architexture)
例如說這顆CPU的內部設計,是scalar,還是超純量(superscalar)的設計;有無內建快取記憶體,指令、資料與記憶體的讀寫設計等,都會影響整個CPU的運作效能。

2.位元處理能力
例如8位元、16位元的CPU。通常這跟CPU內部暫存器、資料匯流排或指令寬度有關。
就Intel的定義,8086/286的通用暫存器(General Purpose Registers)GPR是16位元,所以它們算是16位元的CPU;386/486以至於Pentium、Pentium Pro,也是32位元的CPU,因為CPU核心的GPR只有32位元。

3.記憶體容量
我們說這顆CPU的記憶體控制範圍有多少MB,像386/486等32位元的CPU,其最大記憶體容量有2的32次方等於4096MB=4GB。

4.工作時脈(clock)
每個CPU工作時脈越高,執行指令的單位時間(cycle)越小,速度就越快。
例如說Intel 486DX-33,是以33MHz(=33,000,000Hz/每秒鐘)為工作時脈,
它其與同類型的486DX-25(24MHZ工作時脈)相比較,前者速度就比後者快上約33%。

5.IC製程
目前有BiCMOS與CMOS兩類。一般是以若依線路精密度來分,是以微米(micron,=10的負6次方M, 也就是百萬分之一公尺)
目前的CPU製程,已經進化到0.25um,將來還會拓展到0.18um

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