基本介紹
- 中文名：微處理器控制
- 外文名：microprocessor control
- 學科：計算機科學與技術
- 主要類型：8086
- 含義：計算機的運算核心和控制核心
- 特點：微型
基本概念,微處理器結構,微處理器的分類,微處理器的發展,CISC微處理器,RISC微處理器,EPIC微處理器,Alpha處理器,MIPS處理器,
基本概念
微處理器（又稱為CPU或中央處理單元）是裝配在單顆晶片上的一個完整的計算引擎。第一顆微處理器是1971年問世的Intel 4004。微處理機能完成取指令、執行指令，以及與外界存儲器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計算機的運算控制部分。它可與存儲器和外圍電路晶片組成微型計算機。
微處理器由一片或少數幾片大規模積體電路組成的中央處理器。這些電路執行控制部件和算術邏輯部件的功能。微處理器能完成取指令、執行指令，以及與外界存儲器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計算機的運算控制部分。它可與存儲器和外圍電路晶片組成微型計算機。
微處理器結構
16位微處理器可分成兩個部分，一部分是執行部件(EU)，即執行指令的部分；另一部分是匯流排接口部件(BIU)，與8086匯流排聯繫，執行從存儲器取指令的操作。微處理器分成EU和BIU後,可使取指令和執行指令的操作重疊進行。EU部分有一個暫存器堆，由8個16位的暫存器組成,可用以存放數據、變址和堆疊指針、算術運算邏輯單元(ALU)執行算術運算和邏輯操作，標誌暫存器暫存這些操作結果的條件。執行部件中的這些部件是通過數據匯流排傳送數據的。匯流排接口部件也有一個暫存器堆，其中CS、DS、SS和ES是存儲空間分段的分段暫存器。IP是指令指針。內部通信暫存器也是暫時存放數據的暫存器。指令佇列是把預先取來的指令流存放起來。匯流排接口部件還有一個地址加法器，把分段暫存器值和偏置值相加，取得20位的物理地址。數據和地址通過匯流排控制邏輯與外面的8086系統匯流排相聯繫。8086有16位數據匯流排，處理器與片外傳送數據時，一次課傳送16位二進制數。8086具有一個初級流水線結構，可以實現片內操作與片外操作的重疊。
微處理器基本結構如圖1：
圖1
這是一個進行了最大程度簡化的微處理器。此微處理器具有：
（1）一條地址匯流排（匯流排寬度可以8位、16位或32位），用於向記憶體傳送一個地址；
（2）一條數據匯流排（匯流排寬度可以是8位、16位或32位），能夠將數據傳送到記憶體或從記憶體取得數據；
（3）一條RD（讀）和WR（寫）線路，告訴記憶體它是希望寫入某個地址位置還是獲得某個地址位置的內容；
（4）一條時鐘線路，將時鐘脈衝序列傳送到處理器；
（5）復位線路，用於將程式計數器重置為零（或者其他內容）並重新開始執行。
微處理器執行一組機器指令，這組指令可向處理器告知應執行哪些操作。微處理器就會根據指令執行三種基本工作：
（1）通過使用ALU（算術/邏輯單元），微處理器可以執行數學計算。例如：加法、減法、乘法和除法。現代的微處理器包含完整的浮點處理器，它可以對很大的浮點數執行非常複雜的浮點運算。
（2）微處理器可以將數據從一個記憶體位置移動到另一個位置。
（3）微處理器可以做出決定，並根據這些決定跳轉到一組新指令。
微處理器能夠執行許多非常複雜的工作，但是所有工作都屬於這三種基本操作的範疇。
微處理器的分類
根據微處理器的套用領域，微處理器大致可以分為三類：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數位訊號處理器、微控制器。一般而言，通用處理器追求高性能，它們用於運行通用軟體，配備完備、複雜的作業系統；嵌入式微處理器強調處理特定套用問題的高性能，主要用於運行面向特定領域的專用程式，配備輕量級作業系統，主要用於蜂窩電話、CD播放機等消費類家電；微控制器價位相對較低，在微處理器市場上需求量最大，主要用於汽車、空調、自動機械等領域的自控設備。
CPU是Central Processing Unit（中央微處理器）的縮寫，它是計算機中最重要的一個部分，由運算器和控制器組成。如果把計算機比作人，那么CPU就是人的大腦。CPU的發展非常迅速，個人電腦從8088(XT)發展到Pentium 4時代，只經過了二十一年的時間。
微處理器的發展
CISC微處理器
這種計算機為複雜指令系統計算機，簡稱CISC。這種計算機採用的微處理器屬於CISC結構的微處理器。在CISC微處理器中，程式的各條指令是按順序串列執行的;每條指令中的各個操作也是按順序串列執行的。順序執行的優點是控制簡單，但機器各部分的利用率不高，執行速度慢。Intel的80386系列就屬於CISC結構的微處理器。
對CISC機進行測試表明，各種指令的使用頻度相當懸殊，最常使用的是一些比較簡單的指令，它們僅占指令總數的20%,但在程式中出現的頻度卻占80%。複雜的指令系統必然增加微處理器的複雜性，使微處理器研製時間長、成本高。複雜指令需要複雜的操作，從而降低了機器的速度。
RISC微處理器
70年代末，John Cocke提出精簡指令的想法。80年代初史丹福大學研製出MIPS機，為精簡指令系統計算機(簡稱RISC)的誕生與發展起了很大作用。RISC機中採用的微處理器統稱RISC處理器。MIPS R3000,HP-PA8000系列，Motorola M88000等均屬於RISC微處理器。它們的指令數目只有幾十條。RISC微處理器不僅精簡了指令系統，還採用超標量和超流水線結構，大大增強了並行處理能力，並在構建並行精簡指令系統多處理機中起著核心的作用。由於RISC處理器指令簡單、採用硬布線控制邏輯、處理能力強、速度快，世界上絕大部分UNIX工作站和伺服器廠商均採用RISC晶片作CPU用。這些RISC晶片的時鐘頻率低，功率消耗少，溫升也少，機器不易發生故障和老化，提高了系統的可靠性。
EPIC微處理器
何謂64位計算機?現今工業界對64位計算機的描述，是指具有64位運算能力、64位定址空間和64位數據通路的計算機。
64位的硬體環境能提供的好處：
（1）64位的CPU和數據通路，可以提供快速雙精度的運算能力；
（2）64位的指針可以提供大於1TB的虛擬存儲空間，檔案長度可以大於1TB；
（3）物理地址空間大於1TB。
64位CPU可以快速而精確地執行應用程式，允許程式人員在設計程式時可以使用比以往更大的資料庫和存儲空間，可以處理很複雜的計算模型。簡單地說，EPIC處理器首先由編譯程式分析指令之間的依賴關係;然後將沒有依賴關係的指令組合成群;最後由內置的執行單元讀入指令群並分頭並行執行。由於各條指令究竟分配給哪個單元是由編譯器來決定的，而不是由硬體進行調度，因此降低了處理器的製造成本。
Intel的Intanium(安騰)處理器和AMD的Athlon(速龍)處理器均屬於64位的EPIC微處理器，兩者均採用0.18微米的CMOS製造工藝。不同的是IA- 64的奔騰處理器與IA-32應用程式不能完全兼容，而AMD的x86- 64可以運行IA-32的應用程式。因此在64位的EPIC處理器戰場上，Intel和AMD兩大廠商展開了激烈的競爭。
Alpha處理器
Alpha的設計思想可以用一句話來概括：一個聰明的編譯程式和一個聰明的處理器開發Alpha體系結構的明顯目標是實現在編譯程式、處理器體系結構和實際線路設計等方面都能夠創造性地提高性能。Alpha設計成能夠利用編譯時和運行時的信息。當編譯出錯時，設計了一個無序指令傳送機制使得計算機能夠適應程式的運行過程而不是阻塞計算機的運行。此外，編譯程式在程式中只有有限的視野，經常不能跨過子程式或模組的邊界進行最佳化。同時多執行緒允許Alpha處理器除了指令級並行外還能夠利用執行緒級並行。Alpha是為廣泛範圍的商業套用設計的。同時，多執行緒是Alpha無序指令執行的自然擴展，它也是在大多數套用負載下利用顯性並行的最有效機制。
MIPS處理器
MIPS 84000是最早推出的64位處理器之一。SGI在收購MIPS(後MIPS又獨立)之後繼續發展T系列的64位處理器，先後推出了R6000,R8000,R10000,R12000等型號。
MIPS 812000是超標量的RISC微處理器，它採用ANDES(無序動態執行和調度)的體系結構。在每個流水線周期內可對4條指令進行解碼。該微處理器有5條執行流水線分別連線到整數和浮點執行單元，並具有推理機制及無序動態執行機制。
H2是一種設計用於滿足用戶在今後十年使用的最苛求的技術和商業計算套用需要的新型微處理器系列。利用在處理單和多處理器環境中迅速將大數據集合從CPU輸出和輸入到CPU的技術，這種微處理器系列集成了消除處理器與系統設計之間存在的傳統瓶頸的創新記憶體。在保持編碼和指令集兼容性的同時，H2將為大型可伸縮伺服器級計算機到桌面系統提供動力。
