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知识路径： > 计算机系统基础知识 > 硬件基础知识 > CPU的结构、特征、分类 >
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被考次数：20次
被考频率：高频率
总体答错率：51%
知识难度系数： 
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考试要求：熟悉
相关知识点：21个
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中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件，控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化，即实现程序的自动运行。在早期的计算机内它们是分开的，由于电路集成度的提高，现在已把它们集成在一个芯片中。
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运算器是计算机的核心部件，是对信息进行加工、运算的部件，它的速度几乎决定了计算机的计算速度。运算器的主要功能是对二进制编码进行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算。参加运算的数（称为操作数）由控制器从存储器或寄存器内取到运算器。实现对数据的算术与逻辑运算是运算器的核心功能，这些功能是由运算器内部的一个被称为算术逻辑单元（ALU）完成的，ALU往往也是运算器内部传送数据的重要通路。
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逻辑运算不仅要给出参加运算的一或两个操作数的运算结果的值，往往还要求给出结果值的某些特征，如算术运算时结果的符号为正还是为负、最高位是否给出了进位信号等。这要求相应的线路给出这些特征结果，以便在完成本次运算后，将其保存到相应的标志寄存器（Flag Register）中。
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运算器的第二项功能是暂时存放参加运算的数据和某些中间结果。为此，运算器内包含一定数目的寄存器，它们的数目、配置与连接关系和功能分配与具体使用方式等，在不同的设计、不同的计算机中可以有较明显的差异。但它们都具有存放数据或可以由机器指令（程序员）访问与使用的功能，这些功能是寄存器的共同特点，通常称它们为通用寄存器，以区别于那些计算机内部设定的、不能为汇编程序直接访问的专用寄存器。
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运算器一般包括算术逻辑运算单元、一组通用寄存器和专用寄存器及一些控制门。算术逻辑运算单元（ALU）通过算术运算或逻辑运算来进行算术逻辑运算。通用寄存器可提供参与运算的操作数，并存放运算结果。哪些数参与运算常由输入选择门的控制条件决定。输出门可实现移位传送。
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计算机对信息进行处理是通过程序的执行来实现的，程序是完成某个确定算法的指令序列，要预先存放在存储器中。控制器的作用是控制程序的执行，它具有以下基本功能。
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（1）取指令。当程序已在存储器中时，首先根据程序入口取出第一条指令，然后不断取后面的指令。
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（2）分析指令。或者叫作解释指令、指令译码等，是对当前取得的指令进行分析，指出它要求做什么操作并产生相应的操作控制命令。
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（3）执行指令。根据分析指令时产生的"操作命令"和"操作数地址"形成相应的操作控制信号序列，通过执行实现每条指令的功能。
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计算机不断重复执行上述基本操作，直到遇到停机指令或外来的干预为止。此外，控制器还要具备控制程序和数据的输入与结果输出、对异常情况和某些请求的处理等功能。
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（1）程序计数器（PC）：指令地址寄存器，当程序顺序执行时，通过PC加1形成下一条指令地址；遇到需要改变顺序执行程序时，由转移类指令形成转移地址送往PC，作为下一条指令的地址。
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（2）指令寄存器（IR）：用以存放当前正在执行的指令，以便在指令执行过程中，控制完成一条指令的全部功能。
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（3）指令译码器：对IR中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号。
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（4）脉冲源及启停线路：脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号，在机器刚刚加电时，还产生一个总清信号（Reset）；启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动机器工作或使之停机。
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（5）程序状态寄存器（PSR）：保存程序状态字（PSW），PSW将反映机器运行的状态集中在一起。
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（6）微操作信号发生器：把机器同时发出的控制信号的有关信息汇集起来形成微指令，按次序执行，从而控制指令的执行。
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（1）主频。CPU主频又称为CPU工作频率，即CPU内核运行时的时钟频率。一般说来，主频越高，一个时钟周期里面完成的指令数也越多，当然CPU的速度也就越快。不过由于各种各样的CPU的内部结构不尽相同，所以并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。
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（2）外频。CPU外频是由主板为CPU提供的基准时钟频率，也称为前端总线频率（FSB）和系统总线频率，是CPU与主板芯片组、内存交换数据的频率。虽然CPU可以采用很高的时钟频率工作，但CPU以外的其他部件却不能以同样高的速度工作，因此CPU外频远低于CPU的工作频率。
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（3）倍频。CPU倍频系数内部的时钟信号是由外部输入的，在CPU内部采用了时钟倍频技术。提高时钟频率的比例称为倍频系数。关系为：主频=外频×倍频。
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（4）字长。字长是指在算术逻辑单元中采用运算的基本位数，即CPU能一次处理的二进制位数称为字长。
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（5）工作电压。它是指CPU正常工作时需要提供的电压值。
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（6）高速缓存。L1/L2高速缓存（Cache）的容量和速度对提高整个系统的速度起关键作用。L1 Cache是CPU芯片内内置的高速缓存，它对提高CPU的性能有显著作用。目前CPU的L2 Cache分为内部和外部两种芯片，设在CPU芯片内的L2 Cache的运行速度与主频相同，而设在CPU芯片外的L2 Cache的运行速度一般是主频的1/2。
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（7）支持的扩展指令集。X86扩展指令主要有Intel公司开发的MMX（多媒体扩展指令集）和SSE（互联网数据流单指令扩展）以及AMD开发的3D NOW。
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CPU从最初发展至今已经有20多年的历史了，按照其处理信息的字长，CPU可以分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器。可以说计算机的发展是随着CPU的发展而前进的。
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（1）8086。1978年Intel公司生产的8086是第一个16位的微处理器。1979年，Intel公司又开发出了8088。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，所以都称为16位微处理器，但8086每周期能传送或接收16位数据，而8088每周期只采用8位。这就是第三代微处理器的起点。
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（2）80286。1982年，Intel公司在8086的基础上，研制出了80286微处理器，该微处理器的最大主频为20MHz，内、外部数据传输均为16位，使用24位内存储器的寻址，内存寻址能力为16MB。
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（3）80386。1985年10月17日80386DX正式发布，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz，最后还有少量的40MHz产品。80386DX的内部和外部数据总线是32位，地址总线也是32位，可以寻址到4GB内存，并可以管理64TB的虚拟存储空间。
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（4）80486。1989年，80486芯片由Intel推出，它的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、40MHz、50MHz。
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（5）Pentium。1993年，586 CPU问世，Pentium最初级的CPU是Pentium 60和Pentium 66，分别工作在与系统总线频率相同的60MHz和66MHz两种频率下，没有现在所说的倍频设置。
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（6）Pentium Ⅱ。1997年推出的Pentium Ⅱ微处理器采用了双重独立总线结构，即其中一条总线连通二级缓存，另一条负责主要内存。Pentium Ⅱ使用了一种脱离芯片的外部高速L2 Cache，容量为512KB，并以CPU主频的一半速度运行。作为一种补偿，Intel将PentiumⅡ的L1 Cache从16KB增至32KB。
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（7）Intel Pentium Ⅲ。1999年Intel公司发布了Pentium Ⅲ。该微处理器系统总线频率为100MHz，双重独立总线；一级缓存为32KB（16KB指令缓存加16KB数据缓存），二级缓存大小为512KB，以CPU核心速度的一半运行；新增加了能够增强音频、视频和3D图形效果的SSE（Streaming SIMD Extensions，数据流单指令多数据扩展）指令集；Pentium Ⅲ的起始主频速度为450MHz。
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（8）Pentium Ⅳ。2000年第四季度推出的Pentium Ⅳ，时钟频率突破2GHz。
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