一文了解CPU结构

2019-06-10 15:43:15 嵌入式开发中心 23


中央处理主要由运算器、控制器、寄存器三部分组成,顾名思义运算器就是起着运算的作用,控制器就是负责发出CPU条指令所需要的信息,寄存器就是保存运算或者指令的一些临时文件,这样可以保证更高的速度。

CPU发明到现在,有非常多种架构,从我们熟悉的X86ARM,到不太熟悉的MIPSIA64,它们之间的差距都非常大。但是如果从最基本的逻辑角度来分类的话,它们可以被分为两大类,即所有“复杂指令集”与“精简指令集”系统,也就是经常看到的“CISC”与“RISC”。

“指令集”与“体系结构”这两个术语是同义词。x86ARMMIPS算是是目前最常见也相对最知名的处理器架构。


x86架构

x86是英特尔首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。该系列较早期的处理器名称是以数字来表示,并以“86”作为结β,包括Intel 8086801868028680386以及80486,因此其架构被称为“x86”。

x86架构于1978年推出的Intel 8086中央处理器中首度出现,它是从Intel 8008处理器中发展而来的,而8008则是发展自Intel 4004的。8086在三年后为IBM PC所选用,之后x86便成为了个人电脑的标准平台,成为了历来最成功的CPU架构。 808616位元处理器;直到198532位元的80386的开发,这个架构都维持是16位元。接着一系列的处理器表示了32位元架构的细微改进,推出了数种的扩充,直到2003AMD对于这个架构发展了64位元的扩充,并命名为AMD64。后来Intel也推出了与之兼容的处理器,并命名为Intel 64。两者一般被统称为x86-64x64,开创了x8664位时代。

 

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Intel早在1990年代就与惠普合作提出了一种用在安腾系列处理器中的独立的64位架构,这种架构被称为IA-64IA-64是一种崭新的架构,和x86架构完全没有相似性。

x86架构是重要地可变指令长度的CISC。字组(word, 4字节)长度的内存存取允许不对齐内存位址,字组是以低位字节在前的顺序储存在内存中。向后相容性一直都是在x86架构的发展背后一股驱动力量(设计的需要决定了这项因素而常常导致批评,尤其是来自对手处理器的拥护者和理论界,他们对于一个被广泛认为是落后设计的架构的持续成功感到不解)。但在较新的微架构中,x86处理器会把x86指令转换为更像RISC的微指令再予执行,从而获得可与RISC比拟的超标量性能,而仍然保持向前兼容。

如今,我们面前的PC机基本都是x86架构计算机。如果你想尝试其他架构的计算机,首先要考虑的是是否放弃Windows系统。(注:Windows 8 起,微软开始支持x86ARM两种架构)


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ARM架构

ARM架构(过去称作进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine),更早称作Acorn RISC Machine)是一个32位元精简指令集(RISC) 中央处理器(processor)架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统(embedded)设计。由于节能的特点,ARM处理器非常适用于移动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。在今日,ARM家族占了所有32嵌入式处理器75%的比例,使它成为占全世界最多数的32元架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到,从可携式装置(PDA、移动电话、多体播放器、掌上型电玩,和计算机)到电脑周边设备(硬盘、桌上型由器)甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。在此家族中衍伸的重要产品还包括MarvellXScale架构和德州仪器的OMAP系列。

ARM架构包含了下述RISC特性:

1、读取储存架构。

2、正交指令集(任意存取指令可以任意的寻址方式存取数据Orthogonal instruction set)

3、大量的16 × 32-bit 寄存器阵列(register file)

4、固定的32 bits 操作码(opcode)长度,降低编码数量所产生的耗费,减轻解码和流水线化的负担。

5、大多均为一个CPU周期执行。

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MIPS架构

MIPS架构,是一种采取精简指令集(RISC)的处理器架构,1981年出现,由MIPS科技公司开发并授权,广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。

MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一。MIPS的系统结构及设计理念比较先进,强调软硬件协同提高性能,同时简化硬件设计





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