第3章計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)

　　本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

　　�r熟練掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成。

　　�r了解計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)與機(jī)器語(yǔ)言。

　　�r熟練掌握微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成及其性能指標(biāo)。本章先介紹計(jì)算機(jī)硬件的基本組成部分和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，再介紹計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)以及機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言，最后介紹微型計(jì)算機(jī)的組成及性能指標(biāo)。

　　3.1計(jì)算機(jī)硬件的基本組成

　　計(jì)算機(jī)硬件（computerhardware）是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子、機(jī)械和光電元件等組成的各種物理裝置的總稱(chēng)。這些物理裝置按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，為計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行提供物質(zhì)基礎(chǔ)。簡(jiǎn)言之，計(jì)算機(jī)硬件的功能是輸入并存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行程序把數(shù)據(jù)加工成可以利用的形式。從外觀上來(lái)看，微機(jī)由主機(jī)箱和外部設(shè)備組成。主機(jī)箱內(nèi)主要包括CPU、內(nèi)存、主板、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、各種擴(kuò)展卡（聲卡、顯卡、網(wǎng)卡）、連接線(xiàn)和電源等；外部設(shè)備包括鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、顯示器、音箱、打印機(jī)、U盤(pán)和視頻設(shè)備等，這些設(shè)備通過(guò)接口和連接線(xiàn)與主機(jī)相連。計(jì)算機(jī)硬件的組成如圖3.1所示。

　　圖3.1計(jì)算機(jī)硬件的組成3.1.1馮·諾依曼機(jī)體系結(jié)構(gòu)

　　馮·諾依曼理論的要點(diǎn)是，數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)制采用二進(jìn)制；計(jì)算機(jī)應(yīng)該按照程序順序執(zhí)行。人們把馮·諾依曼的這個(gè)理論稱(chēng)為馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，如圖3.2所示。

　　圖3.2馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

　　從ENIAC到當(dāng)前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)都采用的是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，所以馮·諾依曼是當(dāng)之無(wú)愧的數(shù)字計(jì)算機(jī)之父。

　　電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，最重要的奠基人是英國(guó)科學(xué)家艾蘭·圖靈（AlanTuring）和美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼（VonNeumann）。圖靈的貢獻(xiàn)是建立了圖靈機(jī)的理論模型，奠定了人工智能的基礎(chǔ)，而馮·諾依曼則是首先提出了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)想。

　　1946年馮·諾依曼提出存儲(chǔ)程序原理，把程序本身當(dāng)作數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)待，程序和程序處理的數(shù)據(jù)用同樣的方式存儲(chǔ)，并確定了存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的五大組成部分和基本工作方法。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算機(jī)制造技術(shù)發(fā)生了巨大變化，但馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)仍然沿用至今。

　　計(jì)算機(jī)的基本原理是存儲(chǔ)程序和程序控制。預(yù)先要把指揮計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行操作的指令序列（稱(chēng)為程序）和原始數(shù)據(jù)通過(guò)輸入設(shè)備輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。每一條指令中明確規(guī)定了計(jì)算機(jī)從哪個(gè)地址取數(shù)，進(jìn)行什么操作，然后送到什么地址去等步驟。

　　計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)，先從內(nèi)存中取出第一條指令，通過(guò)控制器的譯碼，按指令的要求，從存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行指定的運(yùn)算和邏輯操作等加工，然后再按地址把結(jié)果送到內(nèi)存中去。接下來(lái)，再取出第二條指令，在控制器的指揮下完成規(guī)定操作。依此進(jìn)行下去，直至遇到停止指令。

　　程序與數(shù)據(jù)一樣存儲(chǔ)，按程序編排的順序，一步一步地取出指令，自動(dòng)地完成指令規(guī)定的操作，是計(jì)算機(jī)最基本的工作原理。

　　1.馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

　　20世紀(jì)30年代中期，科學(xué)家馮·諾依曼大膽地提出，拋棄十進(jìn)制，采用二進(jìn)制作為數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)制基礎(chǔ)。同時(shí)，他還提出預(yù)先編制計(jì)算程序，然后由計(jì)算機(jī)來(lái)按照人們事前制定的計(jì)算順序來(lái)執(zhí)行數(shù)值計(jì)算工作。

　　1945年6月，馮·諾依曼提出了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器中存放程序的概念，按這一結(jié)構(gòu)建造的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)，又稱(chēng)為通用計(jì)算機(jī)。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)主要由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備組成，其特點(diǎn)是:程序以二進(jìn)制代碼的形式存放在存儲(chǔ)器中；所有的指令都由操作碼和地址碼組成；指令在存儲(chǔ)器中按照?qǐng)?zhí)行的順序存放；以運(yùn)算器和控制器作為計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的中心等。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理和控制方面，但是也存在一定的局限性。

　　(1)采用存儲(chǔ)程序方式，指令和數(shù)據(jù)不加區(qū)別混合存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)和程序在內(nèi)存中是沒(méi)有區(qū)別的，它們都是內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，當(dāng)EIP（32位機(jī)的指令寄存器）指針指向哪，CPU就加載哪段內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，如果是不正確的指令格式，CPU就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤中斷。指令和數(shù)據(jù)都可以送到運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。

　　(2)存儲(chǔ)器是按地址訪問(wèn)的線(xiàn)性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元的位數(shù)是固定的。

　　(3)指令由操作碼和地址組成。操作碼指明本指令的操作類(lèi)型，地址碼指明操作數(shù)和地址。操作數(shù)本身無(wú)數(shù)據(jù)類(lèi)型的標(biāo)志，它的數(shù)據(jù)類(lèi)型由操作碼確定。

　　(4)通過(guò)執(zhí)行指令直接發(fā)出控制信號(hào)控制計(jì)算機(jī)的操作。指令在存儲(chǔ)器中按其執(zhí)行順序存放，由指令記數(shù)器指明要執(zhí)行的指令所在的單元地址。指令記數(shù)器只有一個(gè)，一般按順序遞增，但執(zhí)行順序可隨運(yùn)算結(jié)果或當(dāng)時(shí)的外界條件而改變。

　　(5)以運(yùn)算器為中心，I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過(guò)運(yùn)算器。

　　(6)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制表示。

　　2.馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)如下。

　　(1)計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)和指令一律用二進(jìn)制數(shù)表示。

　　(2)順序執(zhí)行程序。計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，把要執(zhí)行的程序和處理的數(shù)據(jù)首先存入主存儲(chǔ)器（內(nèi)存），計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序時(shí)，將自動(dòng)地按順序從主存儲(chǔ)器中取出指令一條一條地執(zhí)行，這一概念稱(chēng)為順序執(zhí)行程序。

　　(3)計(jì)算機(jī)硬件由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。

　　運(yùn)算器（arithmeticunit）由算術(shù)邏輯單元（ALU）、累加器、狀態(tài)寄存器和通用寄存器組等組成。算術(shù)邏輯單元的基本功能為加、減、乘、除四則運(yùn)算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、求補(bǔ)等操作。計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)算器的操作和操作種類(lèi)由控制器決定。運(yùn)算器處理的數(shù)據(jù)來(lái)自存儲(chǔ)器；處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)通常送回存儲(chǔ)器，或暫時(shí)寄存在運(yùn)算器中。運(yùn)算器與控制器共同組成了CPU的核心部分。

　　控制器（controlunit）是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制中心，它指揮計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)地工作，保證計(jì)算機(jī)按照預(yù)先規(guī)定的目標(biāo)和步驟有條不紊地進(jìn)行操作及處理�？刂破鲝拇鎯�(chǔ)器中逐條取出指令，分析每條指令規(guī)定的是什么操作以及所需數(shù)據(jù)的存放位置等，然后根據(jù)分析的結(jié)果向計(jì)算機(jī)其他部件發(fā)出控制信號(hào)，統(tǒng)一指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)完成指令所規(guī)定的操作。計(jì)算機(jī)自動(dòng)工作的過(guò)程，實(shí)際上是自動(dòng)執(zhí)行程序的過(guò)程，而程序中的每條指令都是由控制器來(lái)分析執(zhí)行的，它是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)“程序控制”的主要設(shè)備。

　　通常把控制器與運(yùn)算器合稱(chēng)為中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）。工業(yè)生產(chǎn)中總是采用最先進(jìn)的超大規(guī)模集成電路技術(shù)來(lái)制造中央處理器，即CPU芯片。它是計(jì)算機(jī)的核心設(shè)備。它的性能(主要是工作速度和計(jì)算精度)對(duì)計(jì)算機(jī)的整體性能有全面的影響。

　　硬件系統(tǒng)的核心是中央處理器。它主要由控制器和運(yùn)算器等組成，并采用大規(guī)模集成電路工藝制成的芯片，又稱(chēng)為微處理器芯片。

　　CPU品質(zhì)的高低，直接決定了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的檔次。反映CPU品質(zhì)的最重要指標(biāo)是主頻和數(shù)據(jù)傳送的位數(shù)。主頻說(shuō)明了CPU的工作速度，主頻越高，CPU的運(yùn)算速度越快。常用的CPU主頻有1.5GHz、2.0GHz、2.4GHz等。CPU傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)是指計(jì)算機(jī)在同一時(shí)間能同時(shí)并行傳送的二進(jìn)制信息位數(shù)。常說(shuō)的16位機(jī)、32位機(jī)和64位機(jī)，是指該計(jì)算機(jī)中的CPU可以同時(shí)處理16位、32位和64位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。隨著型號(hào)的不斷更新，微機(jī)的性能也不斷提高。

　　存儲(chǔ)器（memory）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)程序、中間運(yùn)行結(jié)果和最終運(yùn)行結(jié)果都保存在存儲(chǔ)器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。有了存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途可將存儲(chǔ)器分為主存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和輔助存儲(chǔ)器（外存）。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤(pán)等，能長(zhǎng)期保存信息。內(nèi)存指主板上的存儲(chǔ)部件，用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時(shí)存放程序和數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源或斷電后，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)會(huì)丟失。

　　輸入設(shè)備（inputdevice）是向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備，是計(jì)算機(jī)與用戶(hù)或其他設(shè)備通信的橋梁。輸入設(shè)備是用戶(hù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的主要裝置之一。鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、攝像頭、掃描儀、光筆、手寫(xiě)輸入板、游戲桿和語(yǔ)音輸入裝置等都屬于輸入設(shè)備。輸入設(shè)備是人或外部與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的一種裝置，用于把原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序輸入到計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)能夠接收各種各樣的數(shù)據(jù)，既可以是數(shù)值型的數(shù)據(jù)，也可以是各種非數(shù)值型的數(shù)據(jù)，如圖形、圖像和聲音等都可以通過(guò)不同類(lèi)型的輸入設(shè)備輸入到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和輸出。

　　輸出設(shè)備（outputdevice）用于接收計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的輸出顯示、打印、播放聲音和控制外圍設(shè)備操作等，把各種計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)或信息以數(shù)字、字符、圖像和聲音等形式表示出來(lái)。

　　3.馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的作用

　　馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍然采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，只是做了一些改進(jìn)而已，并沒(méi)有從根本上突破馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。

　　根據(jù)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)必須具有如下功能:把需要的程序和數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)中；必須具有長(zhǎng)期記憶程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最終運(yùn)算結(jié)果的能力；能夠完成各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等數(shù)據(jù)加工處理的能力；能夠根據(jù)需要控制程序走向，并能根據(jù)指令控制機(jī)器的各部件協(xié)調(diào)操作；能夠按照要求將處理結(jié)果輸出給用戶(hù)。

　　將指令和數(shù)據(jù)同時(shí)存放在存儲(chǔ)器中，是馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)之一，計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5部分組成，馮·諾依曼提出的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)理念。

　　3.1.2微處理器基礎(chǔ)

　　微處理器是用一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。這些電路執(zhí)行控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能。微處理器與傳統(tǒng)的中央處理器相比，具有體積小、質(zhì)量小和容易模塊化等優(yōu)點(diǎn)。微處理器的基本組成部分有寄存器堆、運(yùn)算器、時(shí)序控制電路以及數(shù)據(jù)和地址總線(xiàn)。微處理器能完成取指令、執(zhí)行指令以及與外界存儲(chǔ)器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算控制部分。它可與存儲(chǔ)器和外圍電路芯片組成微型計(jì)算機(jī)。

　　中央處理器是指計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)處理過(guò)程進(jìn)行控制的部件，伴隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，芯片集成度越來(lái)越高，CPU可以集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件被統(tǒng)稱(chēng)為微處理器。注意，微處理器本身并不等于微型計(jì)算機(jī)，僅僅是微型計(jì)算機(jī)的中央處理器。

　　微處理器已經(jīng)無(wú)處不在，無(wú)論是錄像機(jī)、智能洗衣機(jī)、移動(dòng)電話(huà)等家電產(chǎn)品，還是汽車(chē)引擎控制、數(shù)控機(jī)床、導(dǎo)彈精確制導(dǎo)等都要嵌入各類(lèi)不同的微處理器。微處理器不僅是微型計(jì)算機(jī)的核心部件，也是各種數(shù)字化智能設(shè)備的關(guān)鍵部件。國(guó)際上的超高速巨型計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)等高端計(jì)算系統(tǒng)也都采用大量的通用高性能微處理器建造。

　　1.微處理器的分類(lèi)

　　根據(jù)微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域，微處理器可以分為3類(lèi):通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器、微控制器。

　　通用處理器追求高性能，它們用于運(yùn)行通用軟件，配備完備、復(fù)雜的操作系統(tǒng)。

　　嵌入式微處理器強(qiáng)調(diào)處理特定應(yīng)用問(wèn)題的高性能，主要用于運(yùn)行面向特定領(lǐng)域的專(zhuān)用程序，配備輕量級(jí)操作系統(tǒng)，主要用于蜂窩電話(huà)、CD播放機(jī)等消費(fèi)類(lèi)家電。

　　微控制器價(jià)位相對(duì)較低，在微處理器市場(chǎng)上需求量最大，主要用于汽車(chē)、空調(diào)、自動(dòng)機(jī)械等領(lǐng)域的自控設(shè)備。

　　2.微處理器的發(fā)展歷程

　　CPU從最初發(fā)展至今已經(jīng)有幾十年的歷史了，按照其處理信息的字長(zhǎng)，CPU可以分為4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及最新的64位微處理器，可以說(shuō)個(gè)人計(jì)算機(jī)的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進(jìn)的。微機(jī)是指以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件，以集成了計(jì)算機(jī)主要部件——控制器和運(yùn)算器的微處理器（MicroProcessorUnit，MPU）為核心的計(jì)算機(jī)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，微處理器的發(fā)展大致可分為6代。

　　(1)第一代（1971—1973年）。通常是4位或8位微處理器，典型的是Intel4004和Intel8008微處理器。Intel4004是一種4位微處理器，可進(jìn)行4位二進(jìn)制的并行運(yùn)算，它有45條指令，速度為0.05MIPS（MillionInstructionsPerSecond，每秒百萬(wàn)條指令）。Intel4004的功能有限，主要用于計(jì)算器、電動(dòng)打字機(jī)、照相機(jī)、臺(tái)秤、電視機(jī)等家用電器上，使這些電器設(shè)備具有智能化，從而提高它們的性能。Intel8008是世界上第一種8位的微處理器。存儲(chǔ)器采用PMOS工藝。該階段計(jì)算機(jī)工作速度較慢，微處理器的指令系統(tǒng)不完整，存儲(chǔ)器容量很小，只有幾百字節(jié)，沒(méi)有操作系統(tǒng)，只有匯編語(yǔ)言。主要用于工業(yè)儀表和過(guò)程控制。

　　(2)第二代（1974—1977年）。典型的微處理器有Intel8080/8085，Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800。與第一代微處理器相比，集成度提高了1～4倍，運(yùn)算速度提高了10～15倍，指令系統(tǒng)相對(duì)比較完善，已具備典型的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及中斷、直接存儲(chǔ)器存取等功能。

　　由于微處理器可用來(lái)完成很多以前需要用較大設(shè)備完成的計(jì)算任務(wù)，價(jià)格又便宜，于是各半導(dǎo)體公司開(kāi)始競(jìng)相生產(chǎn)微處理器芯片。但這些芯片基本沒(méi)有改變Intel8080的基本特點(diǎn)，都屬于第二代微處理器。它們均采用NMOS工藝，集成度約9000只晶體管，平均指令執(zhí)行時(shí)間為1～2μs，采用匯編語(yǔ)言、BASIC、FORTRAN編程，使用單用戶(hù)操作系統(tǒng)。

　　(3)第三代（1978—1984年），即16位微處理器。1978年，Intel公司率先推出16位微處理器Intel8086，同時(shí)，為了方便原來(lái)的8位機(jī)用戶(hù)，Intel公司又提出了一種準(zhǔn)16位微處理器Intel8088。1981年，美國(guó)IBM公司將8088芯片用于其研制的IBM�睵C機(jī)中，從而開(kāi)創(chuàng)了全新的微機(jī)時(shí)代。也正是從Intel8088開(kāi)始，個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的概念開(kāi)始在全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來(lái)。從8088應(yīng)用到IBM�睵C機(jī)上開(kāi)始，個(gè)人計(jì)算機(jī)真正走進(jìn)了人們的工作和生活之中，它也標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始。

　　(4)第四代（1985—1992年），即32位微處理器。1985年10月17日，Intel公司劃時(shí)代的產(chǎn)品80386DX正式發(fā)布了，其內(nèi)部包含27.5萬(wàn)個(gè)晶體管，時(shí)鐘頻率為12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz，最后還有少量的40MHz產(chǎn)品。

　　(5)第五代（1993—2005年）是奔騰（Pentium）系列微處理器時(shí)代。典型產(chǎn)品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6系列微處理器芯片。內(nèi)部采用了超標(biāo)量指令流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，并具有相互獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)高速緩存。隨著MMX（MultiMediaeXtended）微處理器的出現(xiàn)，使微機(jī)的發(fā)展在網(wǎng)絡(luò)化、多媒體化和智能化等方面跨上了更高的臺(tái)階。

　　(6)第六代（2005年至今）是酷睿（Core）系列微處理器時(shí)代。“酷�！笔且豢铑I(lǐng)先節(jié)能的新型微架構(gòu)，設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是提供卓然出眾的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所謂的能效比。早期的酷睿是基于筆記本處理器的�！翱犷�2”英文名稱(chēng)為Core2Duo，是Intel公司在2006年推出的新一代基于Core微架構(gòu)的產(chǎn)品體系統(tǒng)稱(chēng)，于2006年7月27日發(fā)布�！翱犷�2”是一個(gè)跨平臺(tái)的構(gòu)架體系，包括服務(wù)器版、桌面版和移動(dòng)版三大領(lǐng)域。其中，服務(wù)器版的開(kāi)發(fā)代號(hào)為Woodcrest，桌面版的開(kāi)發(fā)代號(hào)為Conroe，移動(dòng)版的開(kāi)發(fā)代號(hào)為Merom。

　　“酷睿2”處理器的Core微架構(gòu)是Intel公司的以色列設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在Yonah微架構(gòu)基礎(chǔ)之上改進(jìn)而來(lái)的新一代Intel架構(gòu)。最顯著的變化在于對(duì)各個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行強(qiáng)化。為了提高兩個(gè)核心的內(nèi)部數(shù)據(jù)交換效率，采取共享式二級(jí)緩存設(shè)計(jì)，兩個(gè)核心共享高達(dá)4MB的二級(jí)緩存。

　　2010年6月，Intel公司再次發(fā)布革命性的處理器——第二代Corei3/i5/i7。它隸屬于第二代智能酷睿家族，全部基于全新的SandyBridge微架構(gòu)，相比第一代產(chǎn)品主要有5點(diǎn)重要革新:①采用全新32nm的SandyBridge微架構(gòu)，更低功耗，更強(qiáng)性能；②內(nèi)置高性能GPU（核芯顯卡），視頻編碼、圖形性能更強(qiáng)；③睿頻加速技術(shù)2.0，更智能，更高效能；④引入全新環(huán)形架構(gòu)，帶來(lái)更高帶寬與更低延遲；⑤全新的AVX、AES指令集，加強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算與加密解密運(yùn)算。

　　2012年4月24日，Intel公司正式發(fā)布了Ivybridge（IVB）處理器。22nmIvyBridge會(huì)將執(zhí)行單元的數(shù)量翻一番，達(dá)到最多24個(gè)，自然會(huì)帶來(lái)性能上的進(jìn)一步躍進(jìn)。IvyBridge會(huì)加入支持DX11的集成顯卡。另外，新加入的XHCIUSB3.0控制器則共享其中4條通道，從而提供最多4個(gè)USB3.0，從而支持原生USB3.0。CPU的制作采用3D晶體管技術(shù)，耗電量會(huì)減少一半。

　　3.微處理器的組成

　　微處理器由算術(shù)邏輯單元（ArithmeticLogicalUnit，ALU）、累加器和通用寄存器組、程序記數(shù)器（也稱(chēng)為指令指標(biāo)器）、時(shí)序和控制邏輯部件、數(shù)據(jù)與地址鎖存器/緩沖器、內(nèi)部總線(xiàn)組成。其中運(yùn)算器和控制器是其主要組成部分。

　　1)算術(shù)邏輯單元

　　算術(shù)邏輯單元主要完成算術(shù)運(yùn)算（+、－、×、÷、比較）和各種邏輯運(yùn)算（與、或、非、異或、移位）等操作。ALU是組合電路，本身無(wú)寄存操作數(shù)的功能，因而必須有保存操作數(shù)的兩個(gè)寄存器:暫存器(TMP)和累加器(AC)，累加器既向ALU提供操作數(shù)，又接收ALU的運(yùn)算結(jié)果。

　　定時(shí)與控制邏輯是微處理器的核心控制部件，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，包括從存儲(chǔ)器中取指令，分析指令（即指令譯碼）以確定指令操作和操作數(shù)地址，取操作數(shù)，執(zhí)行指令規(guī)定的操作，送運(yùn)算結(jié)果到存儲(chǔ)器或I/O端口等。它還向微機(jī)的其他各部件發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使CPU內(nèi)外各部件間協(xié)調(diào)工作。

　　內(nèi)部總線(xiàn)用來(lái)連接微處理器的各功能部件并傳送微處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。

　　必須指出，微處理器本身并不能單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的工作系統(tǒng)，也不能獨(dú)立地執(zhí)行程序，必須配上存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)后才能獨(dú)立工作。

　　2)存儲(chǔ)器

　　微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器用來(lái)存放當(dāng)前正在使用的或經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器按讀、寫(xiě)方式分為隨機(jī)存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory，RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ReadOnlyMemory，ROM）。RAM也稱(chēng)為讀/寫(xiě)存儲(chǔ)器，工作過(guò)程中CPU可根據(jù)需要隨時(shí)對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行讀或?qū)懖僮�。RAM是易失性存儲(chǔ)器，即其內(nèi)容在斷電后會(huì)全部丟失，因而只能存放暫時(shí)性的程序和數(shù)據(jù)。ROM的內(nèi)容只能讀出不能寫(xiě)入，斷電后其所存信息仍保留不變，是非易失性存儲(chǔ)器，所以ROM常用來(lái)存放永久件的程序和數(shù)據(jù)。如初始導(dǎo)引程序、監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)中的基本輸入輸出管理程序(BIOS)等。

　　3)I/O接口

　　輸入輸出接口電路是微型計(jì)算機(jī)的重要組成部件。它是微型計(jì)算機(jī)連接外部輸入輸出設(shè)備及各種控制對(duì)象并與外界進(jìn)行信息交換的邏輯控制電路。由于外設(shè)的結(jié)構(gòu)、工作速度、信號(hào)形式和數(shù)據(jù)格式等各不相同，因此它們不能直接掛接到系統(tǒng)總線(xiàn)上，必須用輸入輸出接口電路來(lái)做中間轉(zhuǎn)換，才能實(shí)現(xiàn)與CPU間的信息交換。I/O接口也稱(chēng)為I/O適配器，不同的外設(shè)必須配備不同的I/O適配器。I/O接口電路是微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。任何一個(gè)微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制和設(shè)計(jì)，實(shí)際上主要是I/O接口的研制和設(shè)計(jì)。

　　4)總線(xiàn)

　　總線(xiàn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各部件之間傳送信息的公共通道，是微型計(jì)算機(jī)的重要組成部件。它由若干條通信線(xiàn)和起驅(qū)動(dòng)隔離作用的各種三態(tài)門(mén)器件組成。微型計(jì)算機(jī)在結(jié)構(gòu)形式上總是采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成微機(jī)的各功能部件（微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路等）之間通過(guò)總線(xiàn)相連接，這是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特之處。采用總線(xiàn)結(jié)構(gòu)之后，使系統(tǒng)中各功能部件間的相互關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞑考�面向總線(xiàn)的單一關(guān)系，一個(gè)部件（功能板/卡）只要符合總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，就可以連接到采用這種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中，從而使系統(tǒng)功能擴(kuò)充或更新容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性大大提高。在微型計(jì)算機(jī)中，根據(jù)總線(xiàn)所處位置和應(yīng)用場(chǎng)合，總線(xiàn)被分為以下4級(jí)。

　　（1）片內(nèi)總線(xiàn)。它位于微處理器芯片內(nèi)部，故稱(chēng)為芯片內(nèi)部總線(xiàn)。用于微處理器內(nèi)部ALU和各種寄存器等部件間的互連及信息傳送。由于受芯片面積及對(duì)外引腳數(shù)的限制，片內(nèi)總線(xiàn)大多采用單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，這有利于芯片集成度和成品率的提高，如果要求加快內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送速度，也可采用雙總線(xiàn)或三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。