深入浅谈,cpu设计原理

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1、深入浅谈,CPU设计原理序言也许很多朋友都会对CPU的原理比较感兴趣，从网上大家可以搜集到“利用晶体管的开关闭合进行二进制运算或数据存贮”之类的东西，但是CPU的性能由何决定？CPU内部的设计师如何的？分支预测，乱序执行到底是什么？超长流水线，RISC又是何物？为什么酷睿的CPU频率低，但是比高频率的P4性能好那么多？这些我们应用中遇见的问题绝对不是几句简单的话语可以解释的。写本文的目的，就是想让大家对CPU的了解更加深刻一些，更好的理解CPU到底是怎么运转的。但同样，考虑到仅仅是普及文，我个人不会对一些特别的技术和实现方式（比如逻

2、辑电路的设计，编译原理等等）进行详细讲解，我们只需要知道这些东西通过一些设计就可以达到预期的效果，具体问题是工程师的问题。我会尽量让文章做到范围广，深度浅，把晦涩难懂的知识尽量具体化形象化，但不得不承认我也只是一个普通爱好者，所以错误也是难免的，希望大家共同交流，相互促进。这玩意实在太长了，不可能一帖，甚至几帖就可以说完，所以我决定利用连载的方式来写这篇文章。内容大体分为三大章1处理器的数据线路和控制实现2流水线及其带来的问题3存储器结构的讨论系统学习是比较繁琐的，但是想要了解一些东西必须要把基础打好，希望有心的朋友仔细读下去，我相

3、信也许你会爱上计算机。1.1指令的执行过程（这里没有涉及到高级语言的编译，所以没有翻译指令）CPU的性能由哪些因素决定？我想大多数人都会知道时钟周期这个概念，而另两条“指令数目”，“指令所需时钟周期数（CPI）”是并不为人所知的。而不同的内部架构，也便深刻的影响了CPI的大小，所以有些处理器频率低但是处理任务更快。不过别急，一口吃一个胖子是不行的，在我们对CPU的架构进行探讨之前，先来看看CPU是怎么处理一条指令的。一条指令，首先会根据程序计数器（记录当前运行的指令地址，本身也是一种寄存器）从内存中去处指令，通过指令字段的内容，选择

4、读取一个或者两个寄存器（在汇编语言中，一条代码，即一个指令只能使用1或2个寄存器进行加减乘除运算，而寄存器，就是记录数据的一个东西，当然他还有更多用途，之后我们会提及）一旦取得寄存器的操作数后，就可以对指令进行定性，大致分为三种，存储访问，算术逻辑和分支（分支也可以叫做跳转，一般的高级语言都用if语句，判断一些特定条件从而进行两种或者更多的操作）存储访问指令需要对存储单元进行读出或者写入而访问寄存器；算术逻辑指令需要将ALU（运算器）计算得到的数据写回寄存器；而分支指令则会通过对数据的比较，决定是否对下条指令地址进行修改（也就是是否

5、进行if语句中的or后面的语句）话外音：一条高级语言首先会被编译为汇编语言，之后通过指令集将其编译为二进制信号，从而让CPU明白它需要做哪些操作。不要将缓存和寄存器的概念混淆，最好从百度百科上看看相应资料。缓存我们会在第三大章进行详细讨论。1.2数据通路的建立什么叫数据通路？我想聪明的你一定知道，让一条指令顺畅执行下去，这就是一条数据通路，它包括指令，数据存储器，寄存器堆，运算单元和加法器（加法器是对程序计数器进行调节的，也就是说当前指令执行完毕之后，加法器对程序计数器加上4，就可以切换到下一个指令地址，关于为什么加4这里不多说，在

6、第三大章我们会提及）。想要构成数据通路，首先需要一个存储程序指令的地方，那么我们就需要一个存储单元来存储程序指令，并根据所给地址提供指令。当前需要执行的指令一定要放在一个存储单元中，这就是我们之前提到的程序计数器（PC），然后同一个加法器增加PC的值使它指向下一条指令的地址。得到了指令地址，就可以让ALU对指令进行处理，从而得到结果，而ALU想要进行计算，就需要从寄存器获得数据并写入寄存器，这样，我们就需要一个寄存器堆，来暂时存储这些指令地址，信息等等。如果是储存访问指令和算术指令的话，那么接下来只需要将寄存器的数据显示，或者暂时储

7、存就可以了，若是分支指令，就需要对ALU的数据和寄存器的数据进行比较，如果为真，则执行if语句后紧跟的语句，如果为假，就会执行if语句中or后紧跟的语句，所以说分支指令总是延迟的，因为在没有得出指令的真假时我们不能对接下来的指令进行处理。1.3指令的处理实现一条指令，通过拆分（解码器就是对指令进行拆分，重排等操作的，使用逻辑电路从而达到了一种特殊算法），因为ALU的处理能力是一定的，所以有些复杂指令不能在一个周期内处理完，而需要拆分或者让ALU利用更长的一个周期重复处理这段指令。对于单周期实现，和1.2节中的数据通路非常相近，如果有

8、不熟悉的朋友可以回阅上一节。多周期的数据通路，与单周期通路最本质的区别有三点：1指令和数据使用相同的储存单元2只有一个ALU（也可以使多个，但目前不对其进行讨论），没有了加法器3每个重要的功能单元都加上了一些寄存器存储输出值，使后面的