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电脑cpu讲解 | 计算机cpu原理图

电脑cpu讲解 | 计算机cpu原理图

计算机cpu原理图

计算机在运行时,先从内存中取出第一条指令,通过控制器的译码,按指令的要求,从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工,然后再按地址把结果送到内存中去。接下来,再取出第二条指令,在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。

程序与数据一样存贮,按程序编排的顺序,一步一步地取出指令,自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的,故称为冯.诺依曼原理


计算机cpu工作原理图

什么是cpu,cpu就是中央处理器,英文为centralprocessingunit。cpu是电脑中的核心配件,只有火柴盒那么大,几十张纸那么厚,但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电脑中所有操作都由cpu负责读取指令,对指令译码并执行指令的核心部件。cpu的结构:中央处理器cpu包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。中央处理器从存储器或高速缓冲存储器中取出指令,放入指令寄存器,并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作,然后发出各种控制命令,执行微操作系列,从而完成一条指令的执行。指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。指令是由一个字节或者多个字节组成,其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字和特征码。有的指令中也直接包含操作数本身。①运算逻辑部件。可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及逻辑操作,也可执行地址的运算和转换。②寄存器部件。包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。通用寄存器又可分定点数和浮点数两类,它们用来保存指令中的寄存器操作数和操作结果。通用寄存器是中央处理器的重要组成部分,大多数指令都要访问到通用寄存器。通用寄存器的宽度决定计算机内部的数据通路宽度,其端口数目往往可影响内部操作的并行性。专用寄存器是为了执行一些特殊操作所需用的寄存器。控制寄存器通常用来指示机器执行的状态,或者保持某些指针,有处理状态寄存器、地址转换目录的基地址寄存器、特权状态寄存器、条件码寄存器、处理异常事故寄存器以及检错寄存器等。有的时候,中央处理器cpu中还有一些缓存,用来暂时存放一些数据指令,缓存越大,说明中央处理器cpu的运算速度越快,目前市场上的中高端中央处理器cpu都有2M左右的二级缓存。③控制部件。主要负责对指令译码,并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。其结构有两种:一种是以微存储为核心的微程序控制方式;一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。微存储中保持微码,每一个微码对应于一个最基本的微操作,又称微指令;各条指令是由不同序列的微码组成,这种微码序列构成微程序。中央处理器在对指令译码以后,即发出一定时序的控制信号,按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作,即可完成某条指令的执行。简单指令是由(3~5)个微操作组成,复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。逻辑硬布线控制器则完全是由随机逻辑组成。指令译码后,控制器通过不同的逻辑门的组合,发出不同序列的控制时序信号,直接去执行一条指令中的各个操作。应用大型、小型和微型计算机的中央处理器的规模和实现方式很不相同,工作速度也变化较大。中央处理器可以由几块电路块甚至由整个机架组成。如果中央处理器的电路集成在一片或少数几片大规模集成电路芯片上,则称为微处理器(见微型机)。中央处理器的工作速度与工作主频和体系结构都有关系。中央处理器的速度一般都在几个MIPS(每秒执行100万条指令)以上。有的已经达到几百MIPS。速度最快的中央处理器的电路已采用砷化镓工艺。在提高速度方面,流水线结构是几乎所有现代中央处理器设计中都已采用的重要措施。未来,中央处理器工作频率的提高已逐渐受到物理上的限制,而内部执行性(指利用中央处理器内部的硬件资源)的进一步改进是提高中央处理器工作速度而维持软件兼容的一个重要方向。

在那里能看到CPU的占用率?

在2000/xp/2003系统中,只需打开任务管理器(ctrl+alt+del)即可看到cpu占用率

CPU占用率过高有什么坏处?

最好不要长期停在100%,对cpu没影响,可长期温度过高,会使cpu附近主版电路和芯片因温度过高起变化,若时间过长,特别是在夏天,会对电脑造成伤害。

一般的,最好不要高温运行大型软件,避免让cpu保持高占用率,要做好散热。另外,CPU占用100也可能是中了木马,但不能凭这点去判断,还需其他特征。


计算机CPU图

笔记本电脑CPU天梯图,笔记本电脑CPU排行,是按照CPU的跑分进行排序,进行综合性能对比。可以一定程度上反应CPU的性能优劣,方便进行笔记本电脑CPU对比。

2019年的CPU天梯图,基本是Intel大部分的CPU型号处于前列,锐龙3000系的CPU性能弱、散热量高,整体性能表现一般。

锐龙4000系的CPU,开始更新了7nm的制程工艺,AMD开始Yes,2020年的游戏本,锐龙处理器加英伟达的独显组合,多核性能领先Intel,单核性能稍微落后,基本是20年的真香配置组合。

2021年,AMD更新了锐龙5000系处理器,采用Zen3架构,相比Zen2架构,IPC性能提升15%,单核性能开始追赶上了Intel,在轻薄本领域也开始发力,推出了首款“A+N”轻薄本。

AMD处理器的综合性能领先,价格又比Intel便宜,成为了大众的高性价比之选。多核性能强劲,对于多任务运行、视频剪辑、跑大量数据等使用场景,都处于优势地位。

Intel处理器优势的地方在于单核性能,同时在不插电使用的情况下,Intel处理器性能表现比AMD好,不插电相比插电的时候,Intel处理器性能降幅在10%,基本差距不大。

AMD处理器在不插电使用的情况下,不插电相比插电的时候,AMD处理器性能降幅在30%左右,降幅较大,使用过程会有卡顿感。这是因为AMD牺牲性能释放表现来保持较长的续航时间。


cpu原理图解

跑分的原理 通过软件程序的运行,来测试CPU等硬件的速度,全都需要以定时为基准,在特定的时间内算出某个值是否与结果一致,例如计算2255的100次方,软件设定好计算结果匹配功能,并设定一个计算过程,不同处理器的计算结果是一样的,不同的是时间,时间越短表示计算能力越强,也就是分数越高;


计算机组成原理cpu图

计算机中最主要的两个组成部分是:CPU和内存

其他都是一些外接设备,而这些设备之间依靠总线进行连接

总线

总线一共分为三类(当然还有一些链接外设的扩展总线,这些不需要了解太多):数据总线(传递数据)、控制总线(传递控制信号)、地址总线(传递命令地址)

CPU组成

ALU(Arithmetic & Logic Unit计算单元)

Register(寄存器,用来存储CPU从内存中拿到的数据)

PC(program countor 程序计数器,存储当前指令的地址)

相信学习java编程的小伙伴都知道,如果是多线程的程序,多个线程之间会抢时间片,其实时间片的概念就是PC中的地址不断切换的过程,线程切换时会把当前线程放到缓存中,切换到新的线程执行。

CU(Control Unit 控制单元)

MMU(Memory Management Unit 内存管理单元)

MMU的主要功能是内存映射,我们都知道现在我们的程序访问的内存都是虚拟内存(在下文中有讲到),虚拟内存中按照数据类型进行分段,数据在虚拟空间的地址(线性地址)=偏移量(数据存放在段中的地址)+段的基地址(分配在哪个段上),MMU+OS(操作系统)将线性地址映射到物理地址。

缓存(Cache)

缓存一共分为三级,其中一级和二级缓存是CPU独有的,一个CPU一个缓存,三级缓存是多个CPU共享的,数据的抓取过程大致是:先从一级缓存中取数据,如果一级缓存中没有,再到二级缓存中取数据,还没有再到三级缓存中取数据,如果三级缓存中再没有,最后才从内存(内存中没有从硬盘中取)中拿数据并把数据放到缓存中,缓存在读取数据的时候是按块(缓存行,Intel CPU缓存行大小是64字节)读取的,不是一个字节一个字节的读取(IO操作太浪费时间)。

核的概念


计算机CPU原理

CPU风扇是利用快速转动将CPU的热量传导出来并吹到附近的空气中,加快空气流通,将热量及时散发。风扇有热传感器,当温度达到某一设定区域时,风扇通过传感器调节转速,使CPU温度保持在合理区间。

CPU是电脑的核心器件,运行过程中会发热,如果不能及时散热,随着热量积累会烧坏CPU。

CPU风扇又称为散热风扇,帮助CPU散热,提供给散热器和机箱使用,起到降温的效果。降温效果的好坏直接与CPU散热风扇、散热片的品质有关。


计算机cpu原理图怎么看

CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上,用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管

简单而言,晶体管就是微型电子电子开关,它们是构建CPU的基石,你可以把一个晶体管当作一个电灯开关,它们有个操作位,分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相等于晶体管的连通与断开,而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应!这样,计算机就具备了处理信息的能力。但你不要以为,只有简单的“0”和“1”两种状态的晶体管的原理很简单,其实它们的发展是经过科学家们多年的辛苦研究得来的。在晶体管之前,计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来,科技人员把两个晶体放置到一个硅晶体中,这样便创作出第一个集成电路,再后来才有了微处理器。


计算机cpu原理图解

CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令,放入指令寄存器,并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作,然后发出各种控制命令,执行微操作系列,从而完成一条指令的执行。

指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。

指令是由一个字节或者多个字节组成,其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字以及特征码。

有的指令中也直接包含操作数本身。


CPU原理图

对于没有硬件和电子相关知识的人来说,“计算机到底为什么能工作”这个问题确实比较深奥。
首先你需要明白计算机的CPU实际上和汽车的引擎是一个道理,只不过一个是机械的,一个是电子的。它们在飞速运转中遵循某些固定的状态,外界通过对其输入的控制来产生输出。对于CPU来说,带动其运转的东西叫“时钟”。时钟在0和1之间按特定频率变换,由此同步各个电路组件的状态变化,以便输出正确的值。(有些人没事儿就喜欢超频,说白了就是在加快这个时钟的变换频率。)时钟和寄存器有关,但是为了不跑题,我就不具体解释了。


为了便于理解,我们在此问题中只讨论MIPS架构的CPU。


首先,指令【instruction】由更上层的编程语言(比如C)编译而来,它在内存中是许多串由0和1组成的数列,本身代表的就是电路通断,不用再次进行编译。

由于早期的MIPS是基于“精简指令集”的32位计算机架构,因此每条指令长度一样,都是32位的,每条指令都是32个“0和1”。我们日常使用的CPU(比如酷睿i7)并不基于“精简指令集”,而是基于“复杂指令集”。它们所用的指令长度并不一样,因此它们的电路设计更加复杂,但基本原理还是一样的,同样是一堆“0和1”。

看上面的表
第一行 add
add $1 $2 $3这条指令在内存中应该长什么样?
000000 | 00010 | 00011 | 00001 | 00000 | 100000
这些0和1用竖线隔开后,每一块都用来控制不同的电路部件。
比如Rs Rt 和 Rd 代表的是这次运算所需要的三个寄存器,
寄存器是比内存还要快许多,可以理解为计算机中最基本的储蓄部件(算完了您得就近找个地儿搁啊)
再比如funct指的是算术逻辑单元【Arithmetic Logic Unit】所进行的相关操作,100000对于算术逻辑单元,代表的是“加”。

因此,如果把00000000010000110000100000100000翻译成人话,是这个意思:
“将寄存器$2和寄存器$3的数进行相加,并把结果存入寄存器$1”

以上是CPU工作原理的一部分。


至于“它如何控制某个晶体管的通断状态”,
首先,电路中这些所需的部件,都是由晶体管所组成的。
比如,上面提到的算术逻辑单元【ALU】:

这是某个ALU的门级电路,尽管这不是MIPS所用到的ALU,但他们类似。
A和B是输入,Result是计算结果输出,Carry-out是进位输出。由于这部分电路不含任何寄存器,我们忽略电路做出反应所需要的时间,并且默认电路的输出会随着输入的改变而立即改变。
你可以看到ALU Opcode,这就是上文提到的funct,你输入三位不同的控制信号,它会进行不同的操作。比如ALU Opcode = 000在这里代表将A和B相加。


电路中的逻辑门实现了程序中最基本的布尔逻辑,相信大家对最基本的编程都有一点了解。
神马叫布尔逻辑?
举个比较笼统的例子,你在C语言中写了这么几行:

//判断变量x是否是100和30中间的一个数, &&(and)表示同时满足两个条件,and就是布尔逻辑的一种。
if ((x < 100) && (x > 30)) {
//如果是,就。。。。
}

那么这个“同时满足”到底应该由CPU的什么东西来判断?
答案是某种逻辑门或几种逻辑门的组合。

因此,我们再进一步放大,看这个ALU中的逻辑部件之一:与门【AND gate】
与门有什么性质?
比如:
1 AND 0 等于0
1 AND 1 等于1

简而言之,与门可以用来对比两个输入。因为对于它来说,只有当输入的A和B都为高电平(1)时,输出才会是高电平(1),否则输出低电平(0)。


最后,这个与门,其实是由

晶体管

组成的。希望你已经对这个问题有了一个大概的理解。以后有时间会再补充。


计算机组成原理cpu结构图

CPU是英语“Central Processing Unit/中央处理器”的缩写,CPU一般由逻辑运算单元、控制单元和存储单元组成。在逻辑运算和控制单元中包括一些寄存器,这些寄存器用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存, 其实我们在买CPU时,并不需要知道它的构造,只要知道它的性能就可以了。

CPU,是个英文缩写,中文名称叫作“中央处理器”,或叫作微处理器。它由运算器和控制器组成,是电脑的心脏,它决定电脑档次的高低。它是用半导体材料经过复杂的加工而生产出来的。

CPU的功能是取出、解释并执行指令。我们不是听说过386、486吗?它指的就是该计算机的CPU的型号是386或486,它是衡量一台电脑性能高低的标志。平常我们所说的386、486、586(又分为P5、5X86、K5),都是CPU的型号,同一类型号的CPU,又有主频的不同,如486/100、486/133,P5/166、P5/200,就是主频分别为100MHZ和133MHZ的486,166和200MHZ的奔腾586。主频高,则相应运算速度就快。有的软件就要求在486/66以上CPU以下才能很好地工作。

世界上研究和开发CPU的“龙头老大”是美国的英特尔公司,许多电脑的外面贴着InterInside的标志。


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