计算机硬件综述
徐光林整理
一、 CPU
1． 简介：
提示：采用DMA（Direct Memory Access，直接存储器存取）方式，数据可以不经过CPU的处理就直接在存储器和输入输出设备之间进行传输。
2． 组成部分及功能：
图1-1 8086的逻辑结构
ALU(Arithmetic and Logic Unit，算术逻辑运算器)：完成算术或逻辑运算
分析和执行指令 寄存器：用来保存计算所需数据和中间结果，具有极快的读写速度，数量很少。
（8086是PC的CPU家族中最简单的处理器）
通常的处理过程是：BIU从内存中读取指令和数据，送到EU，其中指令部分送到控制器进行译码、执行，数据部分送到ALU进行运算，最后的处理结果又送回内存中去。
从386开始，琦玉老师CPU的物理结构（元件的组成和实际布局）要较8086的复杂很多，但其逻辑结构（按功能抽象出来的结构）仍然和8086的相同。
486以后的CPU，由于时钟频率高于内存的时钟频率，所以在两者之间设置了缓存。缓存
又分为一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache），先前一级缓存做在CPU中，二级缓存做在主板上，后来为了提高CPU速度，把二级缓存也集成到了CPU的内部，以CPU同速或半速运行。CPU的高速缓存属于SRAM（参见第三章内存：3.内存的工作原理）。
FPU（Floationg Point Unit，浮点运算单元）是计算机中为提高浮点数据处理能力而增加的一块单独的芯片，称为数字协处理器（numeric coprocessor），例如Intel 80287和跑团Intel 80387。从Intel 486处理器开始，FPU也集成到CPU之内了。
3． 封装和插座：
封装起着安装、密封、保护芯片及增强散热等作用。封装的不断改进实际上是要在同样的面积上安排更多的引脚。封装形式有以下几种：
● PLCC：引脚在CPU的四个边上，像286这种引脚很少的CPU采用了这种封装。
● SECC（单边接触卡式封装）、SEPP（单边处理器封装）：在CPU的发展史上曾一度出现，实际上这只能看作是一种转接卡，CPU芯片实际上是BGA封装的，CPU焊接到了一块PCB（印刷电路板）上，PCB就成为CPU和主板之间的连接。PentiumⅡ和部分Pentium
Ⅲ是采用此种封装。
● PGA（针状栅格阵列）：这是大多数CPU采用的封装形式。它与BGA的区别在于它的引脚是针状的，便于反复插拔。这种封装的CPU根据其引脚数目的不同，对应的插座也不相同。如Socket 478有478个引脚，而Socket 423有423个引脚。
● BGA（球状栅格阵列）：笔记本电脑的CPU很少使用插座，因为它几乎不存在更换的可能，所以通常使用BGA封装直接焊接在PCB上，此种封装只能由专门的设备焊接和拆下。
从386向后，主板通常能够支持多种不同频率的CPU，为了方便更换CPU，于是在主板上放置CPU的位置就焊上插座，但早期的CPU插座使用起来很不方便，容易损坏CPU的针脚。现在则使用了零插拔力插座（ZIP，Zero Force Insertion Socket），零插拔力插座设计上很特殊，普通用户也可以轻松的安装或取下CPU。
4． CPU的主要参数：
1 主频：CPU自身工作的时钟频率，是衡量它到底运行得有多快的一个标志；
2 外频：CPU与外部交换数据的时钟频率，也就是主板的运行频率（即系统频率）；
3 外部数据总线宽度：外部数据总线的位数越多，也就意味着在同一时钟周期内发送的数据位数就越多，数据量也就越大。
4 内部数据总线宽度：CPU内部进行数据交换时的位宽。
Pentium处理器有64位外部数据总线，但是仍然是一个32位的处理器，因为它的内部寄存器、内部数据总线和运行的指令都是32位。Pentium处理器使用了所谓的超标量结构，具有两条32位的内部数据流水线，从某种意义上说就好像两个合在一起的32位处理器。最早采用超标量技术的x86处理器是Intel Pentium处理器，以后该技术被广泛用到x86处理器中。
5 地址总线宽度：地址总线宽度决定了CPU“可寻址空间”的大小。
可寻址空间=2地址总线宽度
例如：Pentium处理器地址总线宽度为32绣球小苗位，可寻址空间为232=22*230=4*10243=4G。
6 MIPS：指令执行速度是经典的处理器性能表示方法，常用MIPS（百万条指令执行时间）来表示。
MIPS=Fz*IPC
Fz为CPU的主频，IPC为每个时钟周期平均执行的指令条数，时钟周期=1/主频。
但是指令执行速度也不能完全反映出处理器的真实性能。原因是：a,CPU的各个指令执行起来所需时间各有不同；b,不同指令的使用概率也不一样。
⑦ 高速缓存容量：一级缓存容量和二级缓存容量。
性能测试软件：ZD Labs实验室的CPUmark，SPEC CPU2000，WCPUID。
5． 如何提高运算速度：
1 通过提高数据总线宽度（位宽）来提高数据处理能力；
2 外频不易提高，因此通过倍频电路对外频进行提升，获得几倍至几十倍于外频的频率，这个频率叫主频；
3 通过流水线作业、分支预测（Multiple Branch Prediction）和乱序执行（Out-Of-Order Execution）等技术让每个部件都充分工作。流水线的概念估计大家都很熟悉，这里不再多说。分支预测的功能是指遇到跳转指令就对它的结果进行推测，从而保证流水线不发生中断，为了提高预测的命中率（准确度），CPU采用了两条预取指令队列。流水线队列中有些指令具有独立性，先处理后处理并不影响整个执行过程。因此当预测失误时，就取出这些具有独立性的指令，让执行部件去执行它们，以便让执行部件充分利用工作时间，这种技术就叫做乱序执行。
4 多媒体扩展指令：在许多多媒体程序的运算过程中经常出现一些循环多次、但每次循环处理的数据量却很小的操作。对于这种运算，如果采用CPU原先的一些指令来完成，需要耗费大量的运算时间，因为一条指令只能处理一个数据，多次循环就需要多条指令来完成。多媒体扩展指令出现后，一条新指令可以代替以前得多条指令，它将多个少量数据组合成一个大数据包，采用并行的方式进行处理，这样就加快了运算速度，这种处理方法叫做“单指令多数据”（SIMD）。
6． 高速缓存的工作原理：
1 高速缓存控制器预测CPU下一步操作需要的数据，并把该数据从内存中取出放入高速缓存中。一级高速缓存和二级高速缓存的命中率通常都在90%左右，也就是说CPU中考成绩怎么查询2020正常工作时有90%的时间是以全速访问一级缓存，有9%的时间是访问速度稍慢的二级缓存，只有1%的时间是访问内存的，因此它对提高系统性能的意义非常大。
为了便于进行替换和管理，高速缓存和主存之间被分成大小相同的块，即使处理器需要的仅仅是一块数据中的一部分，也会将整个块读入Cache。
A．全相联映象方式非常简单，也就是内存中的任意一个数据块都可以装入Cache内的任意一块位置上 。Cache容量越大，查效率越低。
B．直接映象方式就是内存中的每一块只能放到Cache中唯一确定的一个位置。它的映象机制就是把内存按Cache的大小分成很多区，每一个分区内的块数与Cache的块数正好相等，
各个区中相对块号相同的那些块映象到Cache中同一块号的那个待定块中。查效率较全相联映象高，但是Cache的利用率降低了。
C．组相联映象方式是目前在Cache中用的比较多的一种方式。它是介于全相联映象和直接映象之间的一种折中方案。组相联映象与前两种映象方式相比除了把内存和Cache也按同样大小划分成块外，还把内存和Cache按同样大小划分成组(Set)，每一组由相同的块数组成。从内存的组到Cache的组之间采用直接映象方式；在内存中的一组与Cache中的一组之间建立了直接映象关系之后，在两个对应的组内部（即两个组的块之间）就采用全相联映象方式。组相联映象比全相联映象实现起来容易得多，但Cache的命中率与全相联映象方式很相近，因此得到广泛应用。其灵活性介于全相联映象方式和直接映象方式之间。在组相联映象方式中，当每组只有一个块时，就成了直接映象方式；当Cache只包含一个组时，就成了全相联映象方式。
在进行分组时，每组所包含的块数都是取2的幂。例如，P4的L2 Cache每组包含8英雄联盟吸血鬼出装个块，就称为八路组相联（8-way set associative），有的地方也译为“八路联合”。
3 通写和写回
以上讨论的都是读Cache的情况。写Cache的过程与读Cache基本类似，只是复杂一些。
Cache中保存的是内存中某些数据的副本，但内存中某些单元的内容却可能在一段时间内和Cache中对应单元的内容不一致。解决Cache与内存信息不一致的问题，目前主要是两种写策略：通写（write through）和写回（write back）。通写策略是指在写Cache的同时，也写内存。它的优点是能随时保持内存与Cachesnh48成员数据的一致性，可靠性很高，缺点是增加了数据传送量，并且写内存要花费较长的时间。写回策略只写Cache，不写内存。只有当数据块要被替换掉时，才把它写回内存。这种策略的优点是缩短了写操作所用的时间，效率更高，缺点是内存中可能会存在过时的数据。
7． 指令集和扩展指令集：
CISC(Complex Instruction Set Computer)复杂指令集计算机，特点是使用功能丰富而复杂的指令集，其中有些特殊的指令能完成复杂的功能，但是这些指令码非常复杂，指令的执行时间也就比较长。其代表有Intel的Pentium、Xeon，主要用于个人计算机和低端服务器。
RISC(Reduced Instruction Set Computer)精简指令集计算机，特点是将指令的长度缩短，因此很多复杂指令都被去除，剩下的都是一些简单而常用的指令，因而每条指令都能在很短的时间内执行完，不过实现一个复杂的功能时需要执行很多的简单指令。其代表有IBM Power、HP PA-RISC、Compaq Alpha、SUNUltra-SPARC、CGI MIPS，全部是高端服务器。
Intel8086/8088、286、386处理器都属于CISC，从486开始的处理器引入很多RISC的设计思想，而其中最重要的就是指令流水线设计。
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