計(jì)算機(jī)的組成原理

2.1計(jì)算機(jī)的組成與分類

2.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

1.計(jì)算機(jī)的發(fā)展

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的誕生是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明創(chuàng)造之一。經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，

計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為信息處理系統(tǒng)中最重要的一種工具，它K僅承擔(dān)著信息加工、信息存儲(chǔ)的任

務(wù)，而且信息傳遞、感測(cè)、識(shí)別、控制和顯示等也都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)。

從20世紀(jì)40年代電子計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)走過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程。在

微電子技術(shù)的進(jìn)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用需求的強(qiáng)力推動(dòng)下，其發(fā)展速度之快，大大超出了人們的預(yù)

料。60多年來(lái)，計(jì)算機(jī)在提高速度，增加功能，縮小體積，降低成本和開(kāi)過(guò)業(yè)務(wù)等方面取

得了飛躍的進(jìn)步.早期的計(jì)算機(jī)大約每隔8至10年其運(yùn)算速度就提高10倍，而成本和體積

只有原來(lái)的1/1。.從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，更進(jìn)一步發(fā)展到幾乎每3年計(jì)算機(jī)的性能就提高

近4倍，成本卻下降一半。

計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展受到所使用的電子器件的極大影響，因此過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間，人們都按照

計(jì)算機(jī)主機(jī)所使用的元器件為計(jì)算機(jī)劃代。

在20世紀(jì)50年代至70年代，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用模式主要是依賴于大型計(jì)算機(jī)的集中計(jì)算

模式，80年代由于個(gè)人計(jì)算機(jī)的廣泛使用而演變?yōu)榉稚⒂?jì)算模式，90年代起由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)

絡(luò)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式。在這種模式下，用戶不僅使自己的計(jì)算機(jī)

處理信息處理，而且還從網(wǎng)絡(luò)獲得他所需要的信息處理能力。在這里，這種能力廣泛指硬件、

軟件和數(shù)據(jù)資源。

自20世紀(jì)90年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)在提高性能、降低成本、普及和深化應(yīng)用等方面的發(fā)展

趨勢(shì)不僅仍在繼續(xù)，而節(jié)奏進(jìn)一步加快，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)大大加劇。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界大多已不再沿

著第x代計(jì)算機(jī)的說(shuō)法。人們正在研究開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要著眼于計(jì)算機(jī)的智能化，它以

知識(shí)處理為核心，可以模擬或部分替代人的智能活動(dòng)，具有自然的人機(jī)通信的能力，當(dāng)然，

這是一個(gè)需要長(zhǎng)期努力才能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

2.計(jì)算機(jī)的巨大作用

計(jì)算機(jī)得以飛速發(fā)展的根本原因，除了微電子技術(shù)等相關(guān)的學(xué)科的發(fā)展之外，還歸功于

計(jì)算機(jī)作為信息處理工具的通用性以及由此帶來(lái)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用的廣泛性。

計(jì)算機(jī)是一種通用的信息處理工具。使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理具有如下一些特點(diǎn):①速

度快、通用性強(qiáng)②具有多種多樣的信息處理能力，不僅能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)運(yùn)算，而且能對(duì)文字、

圖像和聲音等多種形式的信息進(jìn)行獲取、編輯、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、展現(xiàn)等處理。③信息存儲(chǔ)容量

大、存取速度高④具有互連、互通、互操作的特性，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不僅能進(jìn)行信息的交流和分

享，還可借助網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)協(xié)同完成復(fù)雜的信息處理任務(wù)。

計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)40年代以來(lái)人類的偉大創(chuàng)造。它以非凡的滲透力與親和力深入人類活

動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用于科學(xué)研究，大大增強(qiáng)了人類認(rèn)識(shí)自然以及開(kāi)發(fā)、改造和利用自然的能力，

促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大大提高了人類物質(zhì)生產(chǎn)水平和社會(huì)

生產(chǎn)率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用于社會(huì)服務(wù)，大大擴(kuò)展和改善了社會(huì)范BI和質(zhì)審:，提高了工作效率，推動(dòng)了

社會(huì)進(jìn)步。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用與社會(huì)文化，為人類傳承并創(chuàng)造文化提供了現(xiàn)代化的工具，改善了人們創(chuàng)造

和傳播文化的方式、方法和性質(zhì)，大大擴(kuò)展了人類文化活動(dòng)的領(lǐng)域，豐富了文化的內(nèi)容，提

高了質(zhì)量。

計(jì)算機(jī)進(jìn)入了辦公室和家庭，正改變著人們的工作方式和生活方式。

計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)對(duì)于一個(gè)國(guó)家在政治，經(jīng)濟(jì)，科技，文化，軍事，國(guó)防等方面發(fā)展的催

化作用和強(qiáng)化作用，都具有難以估量的意義。

雖然計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)正在迅速的，不可逆轉(zhuǎn)的改變著世界，但是，先進(jìn)技術(shù)給我們帶來(lái)進(jìn)

步和機(jī)遇的同時(shí)，它們也會(huì)帶來(lái)一些新的社會(huì)問(wèn)題和引發(fā)潛在的危機(jī)。例如:個(gè)人隱私受到

威脅，信息欺詐和計(jì)算機(jī)犯罪增加，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)更加困難，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)奔潰帶來(lái)不可預(yù)測(cè)

的后果，不良和有害信息肆虐傳播和泛濫，大量電子垃圾污染環(huán)境，破壞生態(tài)，長(zhǎng)期沉迷于

計(jì)算機(jī)游戲，網(wǎng)絡(luò)聊天等給青少年生理和心理帶來(lái)嚴(yán)重危害等等，我們對(duì)此必須予以足夠的

關(guān)注和重視。

2.1.2計(jì)算機(jī)的組成

經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的功能不斷增強(qiáng)，應(yīng)用不斷擴(kuò)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也變得越來(lái)

越好雜。但無(wú)論系統(tǒng)多么更雜，它們的基本組成何其工作原理都是基本相同的。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有實(shí)際物理裝置的

總稱。例如，計(jì)算機(jī)的處理芯片、存儲(chǔ)器芯片、底板、各類擴(kuò)充板卡、機(jī)箱、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器、

顯示器、打印機(jī)、硬盤(pán)等，它們都是計(jì)算機(jī)的硬件。計(jì)算機(jī)的軟件是指計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的各種

程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔。程序用來(lái)指揮計(jì)算機(jī)硬件一步步地進(jìn)行規(guī)定的操作，數(shù)

據(jù)則為程序處理的對(duì)象，文檔是軟件設(shè)計(jì)報(bào)告、操作使用說(shuō)明等，它們都是軟件不可缺少的

組成部分。

從功能上來(lái)講，計(jì)算機(jī)的主要硬件包括中央處理器、內(nèi)存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備而

后輸出設(shè)備等，它們通過(guò)總線互相連接。

1輸入設(shè)備

輸入是把信息輸入計(jì)算機(jī)的過(guò)程。作為名詞使用時(shí)，指的是向計(jì)算機(jī)輸入的內(nèi)容。輸入

可以由人、計(jì)算機(jī)、外部環(huán)境來(lái)完成。用來(lái)向計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備成為輸入設(shè)備。輸入設(shè)

備有很多種，例如鍵盤(pán)，鼠標(biāo)器，掃描儀，麥克風(fēng)等。不論信息的原始狀態(tài)如何，輸入到計(jì)

算機(jī)中的信息都是使用二進(jìn)制來(lái)表示的。

2中央處理器

負(fù)責(zé)對(duì)輸入信息進(jìn)行各種處理（例如計(jì)算、排序、分類、檢索等）的部件稱為處理器。

處理器能高速執(zhí)行指令完成而精致數(shù)據(jù)的計(jì)算、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳遞等操作，它的結(jié)構(gòu)非常

的復(fù)雜。大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使得處理器的所有組成部件都可以制作在一塊大小僅為兒

個(gè)平方厘米的半導(dǎo)體芯片上。因?yàn)轶w積很小，這樣的處理器被稱為微處理器。

一臺(tái)計(jì)算機(jī)中往往有多個(gè)處理器，它們各有其不同的任務(wù)，有的用于繪圖，有的用于通

信。其中承擔(dān)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行任務(wù)的處理器稱為中央處理，它是任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)必

不可缺少的組成部件。

大多數(shù)計(jì)算機(jī)只包含一個(gè)cpu,為了提高處理速度，計(jì)算機(jī)也包含2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)甚

至幾百個(gè)、幾千個(gè)cpu。使用多個(gè)cpu實(shí)現(xiàn)超高速計(jì)算的技術(shù)稱為并行處理，采用這種技術(shù)

的計(jì)算機(jī)稱為多處理器系統(tǒng)。

3內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器

計(jì)算機(jī)能夠把程序和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，具有這種功能的部件就是存儲(chǔ)器。

存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩大類。內(nèi)存存取速度快而容量相對(duì)較小，外存存取速

度較慢而容最相對(duì)很大。

內(nèi)存儲(chǔ)器與cpu的告訴連接，它用來(lái)存放已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行的程序和需要立即處理的數(shù)據(jù)。

Cpu工作時(shí)，它所執(zhí)行的指令和處理的數(shù)據(jù)都是從內(nèi)存中取出的，產(chǎn)生的結(jié)果?般也存放在

內(nèi)存中。

外存儲(chǔ)器也稱為輔助存儲(chǔ)器，它能長(zhǎng)期存放在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有的信息。計(jì)算機(jī)執(zhí)

行任務(wù)時(shí)，外存中的程序及相關(guān)的數(shù)據(jù)必須先傳送到內(nèi)存，然后才能被cpu所使用。

4輸出設(shè)備

輸出表示把信息送出計(jì)算機(jī)，作為名詞使用時(shí)，指的是計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的結(jié)果。計(jì)算機(jī)的輸

出可以是文本、語(yǔ)言、音樂(lè)、圖像、動(dòng)畫(huà)等多種形式。

負(fù)責(zé)完成輸出任務(wù)的是輸出設(shè)備，多數(shù)輸出設(shè)備的功能是把計(jì)算機(jī)中的0和1代表的信

息住哪換稱為人可以直接識(shí)別和感知的形式，例如在PC機(jī)中，顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等

都是輸出文字和圖形的設(shè)備，音響是輸出語(yǔ)音和音樂(lè)的設(shè)備。

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備通常稱為I/O設(shè)備，這些設(shè)備是計(jì)算機(jī)和外界聯(lián)系和溝通的橋梁，

用戶或外部世界通過(guò)I/O設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相互通信。

5.總線與I/O接口

總線是用于在cpu、閃存、外存和各種輸入輸出設(shè)名之間傳輸信息并協(xié)調(diào)它們工作的一

種部件。有些計(jì)算機(jī)把用于連接cpu和內(nèi)存的總線稱為cpu總線，把連接內(nèi)存和I/O設(shè)備的

總線稱為I/。總線，為了方便地更換和擴(kuò)充I/。設(shè)備，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的I/O設(shè)備一般都是通

過(guò)I/O接口與各自的控制器連接，然后自控制器與I/O總線相連。

2.13計(jì)算機(jī)的分類

計(jì)算機(jī)的分類有很多種方法。一種是按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，如16位機(jī)、32位機(jī)或64

位計(jì)算機(jī)等。另一種是計(jì)算機(jī)的性能、用途和價(jià)格進(jìn)行分類，通常把計(jì)算機(jī)分為下面四大類。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，不同類型計(jì)算機(jī)之間的劃分標(biāo)準(zhǔn)是變化的。

1.巨型計(jì)算機(jī)

巨型計(jì)算機(jī)也稱為超級(jí)計(jì)算機(jī)，它采用大規(guī)模并行的處理的體系結(jié)構(gòu)，由數(shù)以百計(jì)、千

計(jì)甚至萬(wàn)計(jì)的cpu組成。它的極強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，速度達(dá)到每秒數(shù)十萬(wàn)次以I：,大多使用

在科研、軍事、氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、K機(jī)設(shè)計(jì)模擬、生物信息處理等領(lǐng)域。2008年6月，

我國(guó)曙光公司研制成功曙光5000A巨型計(jì)算機(jī)，它包含6600個(gè)AMD公司的四核處理器，

運(yùn)算速度達(dá)到每秒160萬(wàn)億次，在當(dāng)今全球計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜中可進(jìn)入前十。

2.大型計(jì)算機(jī)

大型計(jì)算機(jī)指運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)容量大、通信聯(lián)網(wǎng)功能完善、可靠性高、安全性好、有

豐富的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)。通常包含幾十個(gè)甚至跟多個(gè)CPU。一般用于為企業(yè)或

政府的數(shù)據(jù)提供集中的存儲(chǔ)、管理和處理，承擔(dān)主服務(wù)器的功能，在信息系統(tǒng)中起著核心的

作用。它可以同時(shí)為許多用戶執(zhí)行信息處理任務(wù)，即使同時(shí)有幾百個(gè)甚至上千個(gè)用戶遞交處

理請(qǐng)求，其相應(yīng)速度快得能讓每個(gè)用戶感覺(jué)好像只有他一個(gè)人在使用計(jì)算機(jī)一樣。

3.小型計(jì)算機(jī)

小型計(jì)算機(jī)是一種供部門使用的計(jì)算機(jī)，以IBM公司的AS400為代表。近些年來(lái)，小

型機(jī)逐漸被高性能的服務(wù)器所取代。小型機(jī)也是為多個(gè)月戶執(zhí)行任務(wù)的，不過(guò)它沒(méi)有大型機(jī)

那么高的性能，可以支持的并開(kāi)發(fā)的數(shù)目極少。小型機(jī)的典型應(yīng)用是幫助中小企業(yè)完成信息

處理的任務(wù)，如庫(kù)存管理、營(yíng)銷管理、文檔管理等。

4.個(gè)人計(jì)算機(jī)

個(gè)人計(jì)算機(jī)也稱個(gè)人電腦、PC機(jī)或微型計(jì)算機(jī)，它們是20世紀(jì)80年代初由于單片微

處理器的出現(xiàn)而開(kāi)發(fā)成功的。個(gè)人計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，使用方便，軟件豐富，性能不

斷提高，適合辦公或家庭使用。通常個(gè)人計(jì)算機(jī)由一個(gè)用戶專用，一般只處理一個(gè)用戶的任

務(wù)，并由此而得名。

個(gè)人計(jì)算機(jī)分為臺(tái)式機(jī)和便攜機(jī)兩大類，前者在辦公室或家庭中使用，后者體積小，質(zhì)

量輕，便于外出攜帶，性能接近臺(tái)式機(jī)，但價(jià)格較高。近兩年開(kāi)始出現(xiàn)更小更輕的超級(jí)便攜

式計(jì)算機(jī)，稱為umpc,它們與pc保持兼容，具有通用性，可以隨身攜帶進(jìn)行工作和娛樂(lè)。

有一種特殊的個(gè)人計(jì)算機(jī)，稱為工程工作站或簡(jiǎn)稱工作站，它們具有高速的運(yùn)算能力和

強(qiáng)大的圖形處理能力。

由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，許多計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都設(shè)計(jì)成基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的客戶機(jī)/服務(wù)

器工作模式。因此，巨型機(jī)、大型機(jī)和小型機(jī)一般都作為系統(tǒng)的服務(wù)器使用，個(gè)人計(jì)算機(jī)和

工作站則作為客戶機(jī)。鑒于客戶機(jī)/服務(wù)器工作模式的盛行，一些計(jì)算機(jī)廠家專門制造了稱

為服務(wù)器的一類的計(jì)算機(jī)聲品，它們的存儲(chǔ)容量大。網(wǎng)絡(luò)通信能力強(qiáng)，可靠性好，運(yùn)行專門

的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

2.1.4微處理器和嵌入式計(jì)算機(jī)

20世紀(jì)70-80年代計(jì)算機(jī)發(fā)展史上最重大的事件之一，是出現(xiàn)微處理器和個(gè)人計(jì)算機(jī)。

微處理器簡(jiǎn)稱為uP或MP,通常指使用單片大規(guī)模集成電路制成的、具有運(yùn)算和控制功能

的部件。微處理器是各種類型計(jì)算機(jī)的核心組成部分。目前巨型機(jī)還是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器

還是工作站，它們的中央處理球幾乎都采用微處理器組成，區(qū)別僅在于使用的微處理器性能

的高低和數(shù)目的多少不同而已。由于集成電路技術(shù)進(jìn)步神速，微處理器總從1971年問(wèn)世以

來(lái)，一直處于不斷的發(fā)展和變化之中。

如果不僅把運(yùn)算器和控制器集成在一起，而且把存儲(chǔ)器、輸入/輸出控制與接口電路等

也都集成在同一塊芯片上，這樣的超大規(guī)模集成電路稱為單片計(jì)算機(jī)或嵌入式計(jì)算機(jī)。嵌入

式計(jì)算機(jī)是內(nèi)嵌在其他設(shè)備中的計(jì)算機(jī)，例如安裝在數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、計(jì)算機(jī)外圍

設(shè)電視機(jī)機(jī)頂汽車和手機(jī)等產(chǎn)品中。它們執(zhí)行著特定的任務(wù)，例如控制辦公室的溫度和濕度，

檢測(cè)病人的心率和血壓，控制微波爐的溫度和工作時(shí)間，播放MP3音樂(lè)等?，F(xiàn)在，嵌入式

計(jì)算機(jī)非常普遍，但由于用戶并不直接與計(jì)算機(jī)接觸，它們的存在往往并不被人知曉。

嵌入式計(jì)算機(jī)促進(jìn)了各種各樣電子產(chǎn)品的發(fā)展更新和換代；手表，手機(jī)，玩具，游戲機(jī),

照相機(jī)，音響，錄放相機(jī)，微波爐等。嵌入式計(jì)算機(jī)也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域，如機(jī)

器人，數(shù)控機(jī)床，汽車，導(dǎo)彈等。實(shí)際上，嵌入式計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)市場(chǎng)上增長(zhǎng)速度最快的部

分。世界上90%計(jì)算機(jī)（微處理器）都以嵌入的方式在各種設(shè)備中運(yùn)轉(zhuǎn)。以汽車為例，一輛

汽車中有幾十個(gè)甚至上百個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)在工作，它們的計(jì)算能力加起來(lái)可能比一臺(tái)商用電

腦的計(jì)算能力更強(qiáng)。

除了更雜程度的不同，嵌入式計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理與通用計(jì)算機(jī)也很相似。需要注

意的是，大部分嵌入式計(jì)算機(jī)都把軟件固定在芯片上，所以它們的功能和用途就不能輕易改

變了。另外，嵌入式計(jì)算機(jī)大多應(yīng)滿足實(shí)時(shí)信息處理、最小化存儲(chǔ)量、最小化功耗、適應(yīng)惡

劣工作環(huán)境等要求，升力求以最低成本來(lái)滿足這些要求，這些都是嵌入式計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用的

特點(diǎn)。

2.2CPU結(jié)構(gòu)也與原理

2.1.1CPU的結(jié)構(gòu)

迄今為止，我們所使用的計(jì)算機(jī)都是按照匈牙利數(shù)學(xué)家馮?諾依曼提出的存儲(chǔ)程序控制

的原理進(jìn)行工作的，即一個(gè)問(wèn)題的結(jié)算步驟連同它所處理的數(shù)據(jù)都使用二進(jìn)制表示，并預(yù)先

存放在存儲(chǔ)器中。程序運(yùn)吁時(shí)，CPU從內(nèi)存中?條?條的取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操

作碼的規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止。

CPU的具體任務(wù)是執(zhí)行指令，它按照指令的要求完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，CPU主要由

三部分組成：

（1）寄存器組。它由十幾個(gè)甚至幾十個(gè)寄存器組成。寄存器的速度很快，它們用來(lái)臨時(shí)存

放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算得到的中間結(jié)果。需要運(yùn)算器處理的數(shù)據(jù)總是預(yù)先從內(nèi)存?zhèn)魉偷郊?/p>

存器；運(yùn)算結(jié)果不再需要繼續(xù)參加時(shí)就從寄存器保存到內(nèi)存。

⑵運(yùn)算器。用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加減乘除或者與或非等各種基本的算數(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，所

以也稱為算數(shù)邏輯部件。通常，參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)來(lái)自寄存器，運(yùn)算結(jié)果也送回寄存器保存。

⑶控制器。這是CPU的指揮中心。它由一個(gè)指令計(jì)數(shù)器，用來(lái)存放CPU正在執(zhí)行的指

令的地址，CPU將按照該地址從內(nèi)存讀取所要執(zhí)行的指令。多數(shù)情況下，指令是順序執(zhí)行的，

所以CPU每執(zhí)行一條指令后它就加1.控制器中還有一個(gè)指令寄存器，它用來(lái)保存當(dāng)前正在

執(zhí)行的指令，通過(guò)譯碼器解釋該指令的含義，控制運(yùn)算器的操作，記錄CPU內(nèi)部狀態(tài)等。

為了提高CPU的處理速度，實(shí)際的處理器結(jié)構(gòu)要比上面介紹的復(fù)雜許多。

2.2.2指令與指令系統(tǒng)

如上所述，使用計(jì)算機(jī)完成某個(gè)任務(wù)必須運(yùn)行相應(yīng)的程序。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，程序是由一

連串指令組成的，指令是構(gòu)成程序的基本單位。指令采用二進(jìn)位表示，它用來(lái)規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)

行什么操作。大多數(shù)情況下，指令由兩個(gè)部分組成。

⑴操作碼。指出計(jì)算機(jī)應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)命令詞，例如加減乘除，取數(shù)、存數(shù)等，

每一種操作均有各自的代碼，稱為操作碼。

⑵操作數(shù)地址。指出該指令所操作（處理）的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置。操作數(shù)地址可能

是1個(gè)、2個(gè)甚至多個(gè)，這需要由操作碼決定。

盡管計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行非常復(fù)雜的程序，完成多種多樣的功能，然而，任何復(fù)雜程序的運(yùn)

行總是由CPU一條一條地執(zhí)行指令來(lái)完成的。CPU執(zhí)行每一條指令都還要分成若干步，每

一步僅僅完成一個(gè)或兒個(gè)非常簡(jiǎn)單的操作。指令的執(zhí)行過(guò)程大致如下：

⑴CPU的控制器從存諸器讀取一條指令并放在指令存儲(chǔ)器。

⑵指令存儲(chǔ)器中的指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定了該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作、操作數(shù)在哪里。

⑶根據(jù)操作數(shù)的位置取出操作數(shù)。

⑷運(yùn)算器按照操作碼的要求，對(duì)操作數(shù)完成規(guī)定的運(yùn)算，并按照運(yùn)算結(jié)果修改或設(shè)置處

理器的一些狀態(tài)標(biāo)識(shí)。

⑸把運(yùn)算結(jié)果保存到指定的寄存器，需要時(shí)把寄存器保存到內(nèi)存單元。

⑹修改指令計(jì)數(shù)器，決定下一條指令的地址。

不同指令的操作要求不同，被處理的操作數(shù)類型、個(gè)數(shù)和來(lái)源也不一樣，執(zhí)行時(shí)的步驟

和復(fù)雜程度可能會(huì)相差很大。特別是CPU需要通過(guò)總線去訪問(wèn)寄存器的時(shí)候，指令執(zhí)行就

比較復(fù)雜一些。

每一種CPU都有它自己獨(dú)特的一種指令。CPU所能執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令

系統(tǒng)。通常，指令系統(tǒng)中有數(shù)以百計(jì)的不同的指令，它們分為許多類，例如在奔騰4處理器

中共有七大類指令，即數(shù)據(jù)傳送類、算術(shù)運(yùn)算類、邏輯運(yùn)算類，位操作類、控制轉(zhuǎn)移類、輸

入/輸出類。每一類指令又按照操作數(shù)的性質(zhì)、長(zhǎng)度等分區(qū)為不同的指令。

2.2.3CPU的性能指標(biāo)

計(jì)算機(jī)性能在很大程度上是由CPU決定的。CPU的性能主要表現(xiàn)在程序執(zhí)行速度的快

慢，而程序執(zhí)行速度與CPU相關(guān)的因素很多，例如：

?字長(zhǎng)。字長(zhǎng)指的是CPU中整數(shù)寄存器和定點(diǎn)運(yùn)算器的寬度。由于存儲(chǔ)器地址是整數(shù),

整數(shù)運(yùn)算時(shí)定點(diǎn)計(jì)算器完成的，因而定點(diǎn)計(jì)算器的寬度也就大體決定了地址碼位數(shù)的多少。

地址碼的長(zhǎng)度決定了CPU可訪問(wèn)的存儲(chǔ)器的最大空間，這是影響CPU性能的?個(gè)重要因素。

目前個(gè)人計(jì)算機(jī)使用的CPU大多數(shù)是32位的處理器，新一代的PC機(jī)使用的CPU已經(jīng)擴(kuò)展

到64位處理功能。

?主頻（CPU的時(shí)鐘頻率），指CPU中電子線路的工作頻率，它決定CPU芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)

傳輸與操作速度的快慢，一般而言，主頻越高，執(zhí)行一個(gè)任務(wù)需要的時(shí)間也就越少，CPU的

處理速度也就越快。

?CPU總線速度。CPU總線的工作頻率和數(shù)據(jù)線寬度決定著CPU與內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)

速度快慢，總線速度越快，CPU的性能將發(fā)揮的越充分,

?高速緩存的容量與結(jié)構(gòu)。程序運(yùn)行過(guò)程中高速緩存有利于減少CPU訪問(wèn)內(nèi)存的次數(shù)

?指令系統(tǒng)。指令的內(nèi)容和數(shù)目、指令的功能等都會(huì)影響程序的執(zhí)行速度。

?邏輯結(jié)構(gòu)。CPU包含的定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器的數(shù)目、是否具有數(shù)字信號(hào)處理功能,

有無(wú)指令的預(yù)測(cè)和數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)功能、流水線結(jié)構(gòu)和級(jí)別等都對(duì)指令執(zhí)行的速度有影響，甚至對(duì)

某些特定應(yīng)用有很大的影響。