计算机组成原理--中央处理器CPU1

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1、第五章中央处理器1学习目的和要求1.掌握CPU的功能和组成方式2.掌握指令周期的概念和时序发生器的工作原理3.掌握组合逻辑控制器和微程序控制器的工作原理和设计方法4.深入了解计算机中一条指令的完整执行过程*5.设计一个具有确定指令集的CPU2概论：（1）CPU的概念（2）CPU的历史（3）CPU的设计(运算器、控制器)（4）CPU的制造和封装（5）CPU的性能3CPU的概念CPU的英文全称是CentralProcessingUnit，即中央处理器。CPU从雏形出现到发展壮大的今天，由于制造技术的越来越先进，其集成度越来越高，内部的晶体管数达到几百万个。虽然从最初的CPU发展到现在其

2、晶体管数增加了几十倍，但是CPU的内部结构仍然可分为控制单元，逻辑单元和存储单元三大部分。4CPU的历史在1946年电脑产生时，就有CPU，而我们关注的是微型计算机CPU的发展；可以说Intel公司的历史就是一部微型计算机CPU的发展史，下面以Intel为例简单说一下CPU的历史。1971年。世界上第一块微处理器4004在Intel公司诞生了。它出现的意义是划时代的，比起现在的CPU，4004显得很非常落后，它只有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢。1978年，Intel公司首次生产出16位的微处理器命名为i8086，同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087，这两

3、种芯片使用相互兼容的指令集。由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也这些指令集统一称之为X86指令集。这就是X86指令集的来历。51979年，Intel公司推出了8088芯片，它是第一块成功用于个人电脑的CPU。它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，寻址范围仅仅是1MB内存。8088内部数据总线都是16位，外部数据总线是8位，而它的同系列的8086是16位，这样做只是为了方便计算机制造商设计主板。1981年8088芯片首次用于IBMPC机中，开创了全新的微机时代。1982年，Intel推出80286芯片，它比8

4、086和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但在CPU的内部集成了13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。80286也是应用比较广泛的一块CPU。61985年Intel推出了80386芯片，它X86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步。80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率从12.5MHz发展到33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存，可以使用Windows操作系统了。1989年，Intel推

5、出80486芯片，它的特殊意义在于这块芯片首次突破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线（Burst）方式，大大提高了与内存的数据交换速度。7CPU的制造CPU发展至今已经有二十多年的历史，其中制造CPU的工艺技术也经过了长足的发展。CPU简要制造过程：第一步，取出一张利用激光器刚刚从硅柱上切割下来的硅片，它的直径越大可以切割的CPU就越多，生产成本就越低，现在工艺先进的

6、半导体加工厂已经把晶圆的直径提高到了12英寸。接着就是硅片镀膜了，在硅片表面增加一层由二氧化硅(SiO2)构成的绝缘层，随后就是镀胶，光刻掩膜，之后对半导体硅进行掺杂工艺，因为纯硅里只有掺入杂质才能变成半导体。最后布上金属配线，再把完工的晶体管接入自动测试设备中，在通过所有的测试后必须将其封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。8CPU的封装在通过了几次严格的测试以后，已经置备出各种电路结构的硅片就可以送封装厂进行切割，划分成单个处理器的die并置入到封装中。封装可不仅仅是件漂亮的外衣。由于有封装的保护，处理器核心与空气隔离可以避免污染物的侵害。除此以

7、外，良好的封装设计还有助于芯片散热。同时，它是连接处理器和主板的桥梁。封装技术也在不断发展，目前最常见的是PGA(Pin－GridArray，针栅阵列)封装，通常这种封装是正方形的，在中央区周围均匀的分布着三～四排甚至更多排引脚，引脚能插入主板CPU插座上对应的插孔。随着CPU总线宽度增加、功能增强，CPU的引脚数目也不断增多，同时对散热、电气特性也有更高的要求，演化出了SPGA(StaggeredPin－GridArray，交错针栅阵列)，PPGA(PlasticP