第02章微处理器

### 第02章 微处理器知识点详解 #### 2.1 概述 微处理器作为微型计算机的核心组件，被形象地比喻为计算机的“大脑”或“发动机”。它承担着系统中的所有计算和处理任务。历史上，英特尔(Intel)公司于1971年推出了世界上第一款微处理器芯片4004，这标志着微处理器时代的开始。如今，在个人电脑(PC)领域，英特尔和AMD是两大主要的竞争者。 #### 2.2 处理器的性能 在评估处理器性能时，有几个关键的技术指标需要了解： 1. **速度**: 处理器的速度是指其核心工作的时钟频率，通常用兆赫兹(MHz)来衡量。更高的时钟频率意味着处理器能够更快地完成计算任务。例如，1 MHz表示每秒发生1百万次的时钟周期。 2. **数据总线**: 数据总线决定了处理器能够一次处理的数据量。它由内部寄存器(内部数据总线)和外部数据总线组成。内部寄存器的大小决定了处理器可以操作的数据量，而外部数据总线宽度则确定了一个时钟周期内能够进出处理器的数据位数。 3. **地址总线**: 地址总线的宽度决定了处理器可以访问的最大内存容量。例如，如果地址总线宽度为32位，则处理器最多可以访问\(2^{32}\)个内存地址，即约4GB的内存空间。 处理器的性能主要由其速度、数据宽度和寻址能力三个方面决定。 #### 2.2.1 处理器速度 处理器的速度虽然直观，但在理解时常常会出现误区。处理器速度通常指的是处理器核心的工作时钟频率，以频率表示，因此通常所说的CPU频率就是指这个时钟频率，用每秒的周期数来度量。 在现代计算机系统中，处理器的时钟信号是由晶体振荡器产生的。随着技术的进步，晶体振荡器集成到了主板芯片组中。振荡电路产生的电流以正弦波的形式变化，这就是时钟信号，它是计算机操作的基础。例如，如果时钟频率为1 GHz，则表示每秒有10亿个时钟周期。 值得注意的是，现代处理器能够在单个时钟周期内执行多个指令，这种技术被称为超流水线或超标量技术。例如，最初的8086和8088处理器平均需要12个时钟周期来执行一条指令，而Pentium系列处理器则能在单个时钟周期内执行多条指令，极大地提高了处理速度。 #### 处理器模式 处理器的操作模式会影响其能够执行的指令集以及如何管理和使用内存。现代处理器通常支持多种操作模式： 1. **实模式** (16位软件): 这是早期处理器默认的操作模式，只支持16位的指令集，内存访问受限。 2. **保护模式** (32位软件): 引入于Intel 286处理器之后，支持32位的指令集，提供更高级的内存管理和保护机制。 3. **虚拟实模式** (在32位环境下执行16位程序): 允许在32位环境中运行16位应用程序。 对于64位处理器，如采用EM64T技术的Intel处理器和AMD64技术的AMD处理器，还支持以下模式： 1. **32位模式** (兼容32位处理器): 支持32位指令集。 2. **兼容模式** (在64位环境下执行32位、64位软件): 支持同时运行32位和64位应用程序。 3. **64位模式** (64位软件): 支持64位指令集，提供更大的寻址能力和更强的性能。 处理器模式的选择直接影响到系统的性能和兼容性。例如，在启动时，即使是现代高性能处理器也会默认处于实模式，只有通过特定的软件切换到保护模式或更高模式，才能充分发挥其性能优势。 总结来说，微处理器的发展历程和技术特性对其性能有着决定性的影响。了解这些基础知识对于理解和优化计算机系统至关重要。