【計算機組織與結構】微處理器、微控制器、CPU?

什麼是微處理器?它有什麼功能?

  微處理器是用作微型計算機的控制處理單元以執行其功能的電子組件。它放在一個小型芯片上,該芯片能夠執行算術邏輯單元(ALU)並與與其相連的其他設備通信,被認為是計算機的大腦。
微處理器包含ALU,暫存器陣列控制單元。由於被稱為系統的心臟,微處理器中的每個單元都會執行自己的活動,從而為用戶提供適當的輸出。
因此,ALU對存儲在內存或輸入設備中的數據執行算術和邏輯運算。

  CPU(中央處理單元)是最著名的微處理器,但是計算機中的許多其他組件也包含它們,例如視頻卡上的GPU(圖形處理單元)。在個人計算機領域,CPU和微處理器的名稱可以互換使用。在所有PC的中心以及最多工作站上都​​裝有微處理器。

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微處理器的發展

  微處理器的發展分為五代,例如第一代,第二代,第三代,第四代和第五代,下面討論這些代的特徵。

第一代微處理器

  第一代微處理器於1971-1972年問世。這些微處理器的指令被串行處理,它們獲取指令,解碼然後執行。當微處理器的指令完成時,微處理器將更新指令指針並獲取以下指令,依次對每個指令執行此連續操作。

第二代微處理器

  1970年,第二代微處理器中的集成電路上只有少量晶體管可用。第二代微處理器的示例是16位算術7流水線指令處理。通過重疊的獲取,解碼和執行步驟來定義微處理器的第二代。當在執行單元中處理第一代指令時,第二條指令將被解碼,第三條指令將被提取。

  第一代微處理器和第二代微處理器之間的區別主要在於使用新的半導體技術來製造芯片。這項技術的成果使指令,速度,執行和更高的芯片密度提高了五倍。

第三代微處理器

  第三代微處理器於1978年推出,以Intel的8086和Zilog Z8000表示。這些是16位處理器,性能像迷你計算機。這些類型的微處理器與前幾代微處理器的不同之處在於,所有主要的工作站工業家都開始發展他們自己的基於ISC的微處理器體系結構

第四代微處理器

  隨著許多行業從商用微處理器轉變為內部設計,第四代微處理器以具有百萬晶體管的出色設計進入市場。Motorola的88100和Intel的80960CA等前沿微處理器可以在每個時鐘週期發出和退回一條以上的指令。

第五代微處理器

第五代微處理器採用了去耦超標量處理,其設計很快就超過了1000萬個晶體管。在第五代中,個人計算機是由單個微處理器所征服的低利潤,大批量業務。

微處理器的分類

CISC處理器

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CISC(Complex Instruction Set Computing)代表複雜指令集計算機

  它具有以最有效的方式控制大量複雜指令集的設計策略。它包含執行多級操作的單個指令集。它不會在一個完整的周期內執行。CISC的主要重點是將復雜的指令直接構建到硬件中。
編譯器只需執行很少的工作即可將高級語言轉換為彙編級語言/機器代碼,因為代碼長度相對較短,因此需要很少的RAM來存儲指令。

  它的體系結構以減少存儲器成本的方式設計,因為要執行更大的程序,需要更多的存儲空間,從而導致更高的存儲器成本。為了解決該問題,減少了每個程序的指令集,在單個指令中包含了多個操作

RISC處理器

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  RISC(reduced instruction set computing)代表精簡指令集計算機。它是一種微處理器,其設計方式使其可以非常簡單地執行一組指令,以減少執行時間。使用RISC處理器,每個指令集每次都要經歷一個時鐘週期以執行結果。這有助於處理器同時處理多個指令以執行結果。由於行代碼的數量,這會降低效率;因此,它需要更多的RAM來存儲指令。編譯器還必須付出更多的努力才能將高級語言指令轉換為機器代碼。與CISC架構相比,RISC架構更快,並且製造RISC架構所需的芯片也更便宜

  在傳統加速處理器效能的方式中,內建大量的暫存器以及快取記憶體,在設計上是最直覺且方便的方式,不過大量的暫存器與快取記憶體將會佔用大量的電晶體,而既然暫存器與快取記憶體的內建已經是不可避免的趨勢,那麼只好從縮減指令集的方向去著手,以求減少晶片的空間使用。

 處理器所使用的指令稱為機器碼(machine code),每個機器碼在處理器內部則是由一連串的微指令所構成。由於機器碼分解成微指令的所需時間相當多,為了節省時間,處理器設計者便將這些微指令以硬體線路(hardwired)的方式內建在處理器中,這些硬體線路指令越多,理論上執行的速度也會越快,但是所佔得晶片空間也會相對變大,因此如何去取捨,變成了後來RISC與CISC兩大架構處理器在設計概念上的不同。

 RISC架構中,最初被入選的指令及僅僅只有39條,由於數目非常的少,因此就被稱為精簡指令集(RISC,Reduced Instruction Set Computer),而另一派認為指令集越完備越好的設計概念,就成了CISC的始祖。由於兩派出發點不同,基本上也很難分出兩者架構的優劣,但是就實際應用來說,RISC可以在最精簡的電晶體數目內,在同一個時脈週期中,達成較多的指令執行目的,除了在省電方面可以有較佳的表現以外,對於晶片製造的複雜度也可以有效降低

 除了在指令集的精簡之外,RISC架構處理器中也搶先引進了幾個非常先進的概念,這些概念也被後來出名的CISC架構所引用。首先,便是大量增加暫存器的數目,減少存取主記憶體的機會,其次,便是將指令管線化,利用管線化,可在單一週期內執行更多指令,而為了加強管線化的效益,進一步加入了分支預測功能,並且採用超純量執行概念,可內建多組執行單元等。

 RISC架構已經被證明是遠遠先進於過去的CISC競爭者,但是CISC陣營的優勢在於市場普及率高,九成以上的電腦環境中,皆是採用CISC技術,在大環境的驅使之下,CISC陣營也有更多本錢去改進CISC本身架構的瓶頸,雖然基本上,就是將RISC已使用的技術給搬到CISC處理器中而已。

 在個人電腦以及伺服器環境中的競爭失利,以及對整個市場動態掌握的不佳,讓許多優秀的RISC處理器研發廠商就此從市場中消失,因此,RISC陣營除了鞏固在大型電腦中的競爭優勢以外,並進一步往嵌入式應用發展,由於RISC架構上非常適用於精簡以及低耗電量訴求的運算環境,在嵌入式應用之中,幾乎可說是RISC陣營的天下。

第2 章中央處理單元. - ppt download

超標量處理器

  超標量處理器(Superscalar processors)這種類型的處理器複製了微處理器上的硬件,因此它可以同時執行許多指令。這些副本資源可以是算術邏輯單元或乘法器。超標量由幾個運算單元組成。超標量微處理器通過將大量指令同時傳輸到處理器中多餘的運算單元,從而在一個Clock Rate內執行多個命令。

專用集成電路

  專用集成電路(ASIC,The Application Specific Integrated Circuit)用於非常精確的目的,可能包括汽車排放控制或個人數字助理計算機。ASIC有時是按規格生產的,但也可以通過使用現成的齒輪來製造。

數字信號多處理器

  數字信號多處理器(DSP,Digital Signal Multiprocessors)
DSP是獨特的微處理器,用於解碼和編碼視頻,或將數字或視頻轉換為模擬,反之亦然。這些操作需要在執行數學計算方面特別出色的微處理器。DSP芯片通常用於SONAR,移動電話,RADAR,家庭影院音頻設備和有線機頂盒中。

微處理器和微控制器區別

  微控制器集成了微處理器(ALU,CPU,暫存器)的功能以及諸如ROM,RAM,計數器,輸入/輸出端口等額外特徵的存在。在這裡,微控制器控制通過使用ROM中累積的固定程序(不隨時間而改變)來實現設備的功能。

  微處理器和微控制器的區別主要集中在硬體結構、應用領域和指令集特徵三個方面。

硬體結構

  微處理器是一個單晶片CPU,而微控制器則在一塊積體電路晶片中整合了CPU和其他電路,構成了一個完整的微型計算機系統。 除了CPU,微控制器還包括RAM、ROM、一個序列介面、一個並行介面,計時器和中斷排程電路。雖然片上RAM的容量比普通微型計算機系統還要小,但是這並未限制微控制器的使用。

  在後面可以瞭解到,微控制器的應用範圍非常廣泛。

應用領域

  微處理器通常作為微型計算機系統中的CPU使用,其設計正是針對這樣的應用,這也是微處理器的優勢所在。然而,微控制器通常用於面向控制的應用,系統設計追求小型化,儘可能減少元器件數量。 在過去,這些應用通常需要用數十個甚至數百個數字積體電路來實現。使用微控制器可以減少元器件的使用數量,只需一個微控制器、少量的外部元件和儲存在ROM中的控制程式就能夠實現同樣的功能。

  微控制器適用於那些以極少的元件實現對輸入/輸出裝置進行控制的場合,而微處理器適用於計算機系統中進行資訊處理。

指令集特徵

由於應用場合不同,微控制器和微處理器的指令集也有所不同。 微處理器的指令集增強了處理功能,使其擁有強大的定址模式和適於操作大規模資料的指令。微處理器的指令可以對半位元組、位元組、字,甚至雙字進行操作。 通過使用地址指標和地址偏移,微處理器提供了可以訪問大批資料的定址模式。自增和自減模式使得以位元組、字或雙字為單位訪問資料變得非常容易。 另外,微處理器還具有其他的特點,如使用者程式中無法使用特權指令等。

微控制器的指令集適用於輸入/輸出控制。許多輸入/輸出的介面是單/位的。例如,電磁鐵控制著馬達的開關,而電磁鐵由一個1位的輸出埠控制。 微控制器具有設定和清除單位的指令,也能執行其他面向位的操作,如對「位」進行邏輯與、或和異或的運算,根據標誌位跳轉等。 很少有微處理器具備這些強大的位操作能力,因為設計者在設計微處理器時,僅考慮以位元組或更大的單位來運算元據。

CPU & Microprocessor

中央處理器(CPU)是充當計算機大腦的芯片。它是由晶體管製成的-實際上是數百萬個晶體管。微處理器是包圍CPU的電路。微處理器不僅僅是CPU。它包含其他處理器,例如圖形處理器單元。聲卡和網絡卡封裝在微處理器中。因此,CPU是微處理器的一部分,但是微處理器不僅僅是CPU

CPU是個微處理器。微處理器是由數百萬個晶體管組成的集成電路。但是,並非所有的微處理器都是CPU。有NPU,GPU和APU可以從CPU中刪除網絡、圖形或音頻處理。最終結果是更快的CPU性能。外部微處理器可以執行的操作不會降低CPU的速度;並且由於所有功能都可以協同工作,因此結果顯示得更快,更可靠,並且減少了停機或停機時間。

參考資料

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