3.2 CPU的结构与原理

一、知识点综述

1.CPU的结构（***）

（1）CPU的任务及工作原理

CPU的任务是取指令并完成指令所规定的操作。人们现在所用的计算机都是按照数学家冯·诺依曼提出的“存储程序控制”的原理进行工作的，具体如下：

① 程序（指令）和数据均以二进制编码表示，预先存放在存储器中。

② 程序运行时，CPU从内存中一条一条取出指令和相应数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。

（2）CPU的组成

① 运算器。

运算器也叫算术逻辑运算部件（ALU），用来对数据进行算术运算和逻辑运算。CPU有多个ALU部件，有的负责处理整数，有的负责处理实数或者特殊运算。

② 控制器。

控制器是CPU的指挥中心。指令计数器存放正在执行指令的地址，执行完一条指令后自动加1。指令寄存器用来保存当前正在执行的指令，通过译码器解释指令的含义控制运算器操作，记录CPU内部状态。

③ 寄存器组。

CPU除了运算器和控制器外，一般还包含几十个寄存器，称为寄存器组。寄存器组用来临时存放参加运算的数据和得到的中间结果。

2.指令和指令系统（****）

（1）指令、指令组成、指令系统

指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构成程序的基本单位，采用二进位表示。大多数情况下，指令由操作码和操作数两个部分组成。

操作码：指出CPU应执行何种操作，如加、减、乘、除、取数、存数等。

操作数地址：指出该指令所操作（处理）的数据或者数据所在位置。

CPU所能执行的全部指令的集合，称为该CPU的指令系统。Pentium系列等处理器在其发展过程中，其指令系统越来越丰富，有数百条不同的指令。

（2）指令在计算机中的执行过程

取指令：CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器。

指令译码：指令寄存器中的指令经译码，指明该指令应进行何种操作、操作数在哪里。

执行指令：取操作数进行运算，结果保存到寄存器，需要时保存到内存。

修改指令计数器：决定下一条指令的地址。

（3）CPU的兼容性

同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性。

不同公司生产不同的CPU产品各有自己的指令系统，它们可能兼容，也可能不兼容，如Intel公司和AMD公司产品互相兼容，而与其他公司，如IBM公司、SUN公司等是不兼容的。

3.CPU的性能指标（***）

（1）衡量CPU性能的方法

计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，它由许多因素决定，如CPU、内存、硬盘、显卡等，但通常CPU是主要因素。

CPU性能高低的主要指标是CPU的速度，有两种衡量方法：计算每秒可执行的指令数目（单位为MIPS、MFLOPS）及使用常用软件的执行速度。

（2）CPU的性能指标

① CPU的字长（位数）。

字长是CPU整数寄存器和定点运算器的宽度，目前PC机使用的CPU大多数是32位或64位。

② 主频（CPU时钟频率）。

主频是CPU中电子线路的工作频率，主频越高，速度越快。

③ CPU总线速度。

前端总线的工作频率和数据线宽决定CPU与内存间传输数据的速度。

④ 高速缓存（Cache）的容量与结构。

使用Cache的目的是减少CPU访问内存的次数，解决CPU与内存之间速度不匹配的问题。Cache容量越大、级数越多，其效果就越明显。

⑤ CPU的指令系统。

指令的类型和数目、指令的功能都会影响程序的执行速度。

⑥ CPU的逻辑结构。

CPU包含的运算器数目、是否有数字信号处理能力、有无指令预测和数据预测功能、流水线结构和级数等都对指令执行的速度有影响。

二、真题解析

1.下列有关PC机微处理器的叙述中，错误的是________。（2011年秋基础第4题）

A.目前PC机所用的各种微处理器均由Intel公司设计和生产

B.微处理器通常由单片集成电路制成

C.一台高性能PC机中通常包含多个微处理器

D.台式PC机与笔记本PC机采用的微处理器通常有所不同

【解析】现在大部分PC机使用Intel公司的微处理器作为CPU，有些PC机使用AMD公司的微处理器。

【答案】A

2.在下列有关PC机的CPU的叙述中，错误的是________。（2009年秋基础第4题）

A.CPU中包含几十个甚至上百个寄存器，用来临时存放数据、指令和控制信息

B.所有PC机的CPU都具有相同的指令系统，因而PC机可使用相同的软件

C.一台计算机至少包含1个CPU，也可以包含2个、4个、8个甚至更多个CPU

D.Intel公司是国际上研制和生产CPU的主要公司，我国也能生产CPU

【解析】不同公司的不同CPU产品其指令系统不同，它们未必互相兼容。

【答案】B

3.下列有关CPU的叙述中错误的是________。（2007年春基础第5题）

A.CPU的主要组成部分有运算器、控制器和寄存器组

B.CPU的主要功能是执行指令，不同类型CPU的指令系统通常有所不同

C.为了加快运算速度，CPU中可包含多个算术逻辑部件（ALU）

D.目前PC机所用的CPU芯片均为Intel公司的产品

【解析】不同公司生产不同的CPU产品，Intel公司的Pentium系列、赛扬系列、至强等，AMD公司的独龙、闪龙、炫龙等，IBM公司的Power5、Power6等（苹果的Macintosh使用），SUN公司的Ultra SPARC处理器，HP公司的PA-RISC、Itanium处理器等。Intel公司Pentium系列的各种微处理器，属于同一系列，其指令是“向下兼容的”。一般来说，Intel公司和AMD公司产品互相兼容，其他公司的指令系统未必互相兼容。

【答案】D

4.CPU的运算速度与许多因素有关，提高CPU速度的有效措施是________。（2008年春基础第3题）

① 增加CPU中寄存器的数目

② 提高CPU的主频

③ 增加CPU中高速缓存（Cache）的容量

④ 优化BIOS的设计

A.①、③和④

B.①、②和③

C.①和④

D.②、③和④

【解析】与CPU性能指标相关的因素包括：字长、主频、CPU总线速度、高速缓存的容量与结构、指令系统、逻辑结构。寄存器是CPU的一个组成部分，增加寄存器数目也可以提高CPU速度，而BIOS存放在ROM中，与CPU无关。

【答案】B

5.在下列4个Intel微处理器产品中，采用双核结构的是________。（2010年春基础第5题）

A.Core 2 Duo

B.Pentium PRO

C.Pentium Ⅲ

D.Pentium 4

【解析】上述4个Intel微处理器是按如下顺序发展来的：Pentium PRO、Pentium Ⅲ、Pentium 4、Core 2 Duo，只有Core 2 Duo采用双核结构。

【答案】A