3．3 运算器、控制器和中央处理器

3．3 运算器、控制器和中央处理器

3．3．1 运算器

运算器（Arithmetic Unit）是整个计算机系统的核心，主要由执行算术运算和逻辑运算的算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。

算术逻辑运算单元的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。 计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。 运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。 与Control Unit共同组成了CPU的核心部分。

3．3．2 控制器

控制器是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件，是计算机的神经中枢和指挥中心，由指令寄存器IR（Instruction Register）、程序计数器PC（Program Counter）和操作控制器OC（Operation Controller）等部件组成。 在系统运行过程中，不断地生成指令地址、取出指令、分析指令、向计算机的各个部件发出微操作控制信号，协调整个电脑有序地工作。

3．3．3 中央处理器

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是计算机的核心，它是一块超大规模的集成电路，它由运算器、控制器、寄存器等组成。

CPU的发展非常迅速，目前已经发展到数GHz的时钟频率。 由于单核CPU再向上提升的空间已经不大，现在，已主要由单纯提升时钟频率改为向多核CPU发展。 多核处理器在一个处理器上集成两个或两个以上的运算核心，从而提高计算能力。 目前，CPU两大生产巨头Intel和AMD分别推出了多款多核处理器。

1）主频、外频与倍频

主频是CPU内核工作的时钟频率（CPU clock speed），单位是MHz（兆赫兹）或GHz（吉赫兹）。 主频是衡量CPU速度快慢的一个重要指标，提高主频对于提高CPU运算速度至关重要。

外频是主板为CPU乃至整个计算机系统提供的基准频率，是CPU与主板之间同步运行的速度，单位是MHz。 计算机系统中大多数的频率都是在外频的基础上，乘一定的倍数来实现，这个倍数可以是大于1的，也可以是小于1的。 在早期的计算机中，内存与主板之间的同步运行速度也等于外频。

倍频是CPU主频与外频之比的倍数。 原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就应运而生。 它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来大幅提升。

主频、外频及倍频的关系式为：主频＝外频×倍频。 外频与倍频中任何一项提高都可以使CPU的主频上升，实现超频。

一个CPU默认的外频和倍频只有一个，主板必须能支持这个外频和倍频。 因此在选购主板和CPU时必须注意这点，如果两者不匹配，系统就无法工作。 此外，现在CPU的倍频很多已经被锁定，所以超频时经常需要超外频。 但是，外频改变后，系统中的很多其他频率也会改变，即CPU主频、前端总线频率和PCI等各种接口频率、硬盘接口的频率等，而这些改变有可能导致系统无法正常运行。 所以说，超频是有风险的，甚至有可能损坏计算机硬件。

2）总线

微机中总线一般有内部总线、系统总线和外部总线3种。 内部总线是微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互联。 系统总线是微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互联。 外部总线是微机和外部设备之间的总线，用于设备一级的互联。

3）前端总线

前端总线（FSB）是AMD在推出K7CPU时提出的概念，经常被误认为是外频的另一个名称。 实际上，FSB是将CPU连接到北桥芯片的总线。 由于北桥芯片负责联系内存等数据吞吐量大的部件，并和南桥芯片连接，所以，前端总线是CPU和内存等外界交换数据的最主要通道，它的数据传输能力对计算机整体性能作用很大，如果没有足够快的前端总线，再强的CPU也不能明显提高计算机的整体速度。 目前PC上的前端总线频率主要有266，333，400，533，800，1066和1333MHz等几种。

外频与前端总线频率的区别：前端总线的速度是指数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。 也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒震荡1000万次；而100MHz前端总线是指每秒CPU可接收的数据传输量为

100MHz×64bit＝6400Mbit／s＝800MB／s（1B＝8bit）

CPU从最初发展至今已经有40多年的历史，Intel发布的第一块处理器4004仅仅包含2000个晶体管，而目前最新的Intel Corei7处理器包含超过2．3亿个晶体管，集成度提高了10万倍，这可以说是当今最复杂的集成电路了。 与此同时，你会发现单个CPU的核心硅片的大小丝毫没有增大，甚至变得更小了，这就要求不断地改进制造工艺以便能生产出更精细的电路结构。 如今，最新的处理器采用的是0．045μm技术制造，也就是常说的0．045μm线宽。

虽然设计方式和工作原理的过程有区别，但不同处理器依然有很多相似之处。 从外表看来，CPU常常是矩形或正方形的块状物，通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。 不过在内部， CPU的核心是一片大小通常不到1／4英寸（1in＝2．54cm）的薄薄的硅晶片（其英文名称为Core，核心）。 在这块小小的硅片上，密布着数以百万计的晶体管，它们好像大脑的神经元，相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。

如今，Intel的CPU和其兼容产品统治着微型计算机的大半江山，但是除了Intel和AMD外，还有其他一些品牌CPU，如HP的PA⁃RISC，IBM的Power4和Sun的Ultrasarc等，只是它们都是精简指令集运算（RISC）处理器，使用Unix的专利操作系统，例如IBM的AIX和Sun的Solaris等。

最新的Intel Corei7（见图3．4）是一款基于全新Nehalem架构的CPU，采用LGA1366接口，集众多先进技术于一身，如集成内存控制器、三通道技术支持、全新QPI总线、超线程技术的回归、Turbo Mode内核加速等。 规格方面，Intel Corei7采用原生4核Nehalem架构，主频2．66～3．0G，外频133，倍频20X，采用了全新的LGA1366接口，共享8M三级缓存。 再加上超线程技术的运用，运算性能达到一个新的高度。

在Core i7上，从新采用了超线程技术，所谓超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高CPU的运行效率。 超线程技术使得Pentium4单核CPU也拥有较出色的多任务性能，现在通过改进后的超线程技术再次用到Corei7处理器上。超线程技术可以在增加很少能耗的情况下，使性能提升20％～30％。