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Pentium处理器每个时钟周期可以执行两条程序指令,使得它的处理能力比前代的Intel芯片要大而快得多。在相同的处理速度下,Pentium处理器执行指令的速度比80486快大约五倍。 [2]
在内部,它与80486十分相似。当然,它与前几代的处理器是兼容的。而主要的不同在于它可以同时执行多条指令。Pentium处理器与80x86家族的以前成员保持了的代码兼容性,从而保护了用户的软件投资。
Intel 486微处理器具有一个8K的高速缓存,而Pentium处理器则具有两个8K的高速缓存,其中一个用于指令,另一个用于数据。这些高速缓存用来临时存储从较慢的主存中取出的指令和数据。当系统使用数据时。它很有可能重复地使用它,而从位于处理器芯片内的高速缓存中取出数据,要比从主存中取出数据快得多。
Pentium处理器的浮点单元,是根据Intel 486微处理器中的浮点单元完全重新设计的。它由一个8级的流水线组成,能够在一个时钟周期内执行一次浮点操作。
像486一样,Pentium处理器使用32位的内部总线。然而,它到内存的外部数据总线是64位宽,将单个总线周期内可传送的数据量翻了一番。64位的数据总线允许Pentium处理器以高达528MB/秒的速率分别将数据写入或读出内存,这比50MHz的Intel 486的峰值传输速率(160MB/秒)高出了3倍还多。
这些优势的基础在于Pentium处理器的结构特征,而对486结构的增强则大大地改善了处理器的性能。与33MHz的486DX相比,性能改善了3~5倍(计算密集的程序其性能改善更好);与66MHz的Intel 486DX2 CPUSHEL,性能改善了1.5倍。
冯诺依曼体系结构是现代计算机的基础。在该体系结构下,程序和数据统一存储,指令和数据需要从同一存储空间存取,经由同一总线传输,无法重叠执行。根据冯诺依曼体系,CPU的工作分为以下 5 个阶段:取指令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数和结果写回。 [1]
取指令(IF,instruction fetch),即将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。程序计数器中的数值,用来指示当前指令在主存中的位置。当 一条指令被取出后,程序计数器(PC)中的数值将根据指令字长度自动递增。 [1]
指令译码阶段(ID,instruction decode),取出指令后,指令译码器按照预定的指令格式,对取回的指令进行拆分和解释,识别区分出不同的指令类 别以及各种获取操作数的方法。现代CISC处理器会将拆分已提高并行率和效率。 [1]
执行指令阶段(EX,execute),具体实现指令的功能。CPU的不同部分被连接起来,以执行所需的操作。
访存取数阶段(MEM,memory),根据指令需要访问主存、读取操作数,CPU得到操作数在主存中的地址,并从主存中读取该操作数用于运算。部分指令不需要访问主存,则可以跳过该阶段。 [1]
结果写回阶段(WB,write back),作为后一个阶段,结果写回阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。结果数据一般会被写到CPU的内部寄存器中,以便被后续的指令快速地存取;许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态,这些标志位标识着不同的操作结果,可被用来影响程序的动作。 [1]
在指令执行完毕、结果数据写回之后,若无意外事件(如结果溢出等)发生,计算机就从程序计数器中取得下一条指令地址,开始新一轮的循环,下一个指令周期将顺序取出下一条指令。 [1] 许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码,并且同时执行。
性能衡量指标
对于CPU而言,影响其性能的指标主要有主频、 CPU的位数、CPU的缓存指令集、CPU核心数和IPC(每周期指令数)。所谓CPU的主频,指的就是时钟频率,它直接的决定了CPU的性能,可以通过超频来提高CPU主频来获得更。而CPU的位数指的就是处理器能够一次性计算的浮点数的位数,通常情况下,CPU的位数越高,CPU 进行运算时候的速度就会变得越快。21世纪20年代后个人电脑使用的CPU一般均为64位,这是因为64位处理器可以处理范围更大的数据并原生支持更高的内存寻址容量,提高了人们的工作效率。而CPU的缓存指令集是存储在CPU内部的,主要指的是能够对CPU的运算进行指导以及优化的硬程序。一般来讲,CPU 的缓存可以分为缓存、二级缓存和三级缓存,缓存性能直接影响CPU处理性能。部分特殊职能的CPU可能会配备四级缓存。 [4]
CPU结构
通常来讲,CPU的结构可以大致分为运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。所谓运算逻辑部件,主要能够进行相关的逻辑运算,如:可以执行移位操作以及逻辑操作,除此之外还可以执行或浮点算术运算操作以及地址运算和转换等命令,是一种多功能的运算单元。而寄存器部件则是用来暂存指令、数据和地址的。控制部件则是主要用来对指令进行分析并且能够发出相应的控制信号。
对于中央处理器来说,可将其看作一个规模较大的集成电路,其主要任务是加工和处理各种数据。传统计算机的储存容量相对较小,其对大规模数据的处理过程中具有一定难度,且处理效果相对较低。随着我国信息技术水平的迅速发展,随之出现了高配置的处理器计算机,将高配置处理器作为控制中心,对提高计算机CPU的结构功能发挥重要作用。中央处理器中的核心部分就是控制器、运算器,其对提高计算机的整体功能起着重要作用,能够实现寄存控制、逻辑运算、信号收发等多项功能的扩散,为提升计算机的性能奠定良好基础。 [2]
集成电路在计算机内起到了调控信号的作用,根据用户操作指令执行不同的指令任务。中央处理器是一块超大规模的集成电路。它由运算器、控制器、寄存器等组成,如下图,关键操作在于对各类数据的加工和处理。 [5]
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