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中央处理器和指令管線化

快捷方式: 差异相似杰卡德相似系数参考

中央处理器和指令管線化之间的区别

中央处理器 vs. 指令管線化

中央处理器 (Central Processing Unit,缩写:CPU),是计算机的主要设备之一,功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。计算机的可编程性主要是指对中央处理器的编程。中央处理器、内部存储器和输入/输出设备是现代电脑的三大核心部件。1970年代以前,中央处理器由多个独立单元构成,后来发展出由集成电路制造的中央处理器,這些高度收縮的元件就是所謂的微处理器,其中分出的中央处理器最為复杂的电路可以做成单一微小功能强大的单元。 中央处理器廣義上指一系列可以执行复杂的计算机程序的逻辑机器。这个空泛的定义很容易地将在“CPU”这个名称被普遍使用之前的早期计算机也包括在内。无论如何,至少从1960年代早期开始,这个名称及其缩写已开始在电子计算机产业中得到广泛应用。尽管与早期相比,“中央处理器”在物理形态、设计制造和具体任务的执行上有了极大的发展,但是其基本的操作原理一直没有改变。 早期的中央处理器通常是为大型及特定应用的计算机而定制。但是,这种昂贵的为特定应用定制CPU的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、适用于一个或多个目的的处理器类。这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代,随着集成电路的出现而加速。IC使得更为复杂的中央处理器可以在很小的空间中设计和制造(在微米的數量级)。中央处理器的标准化和小型化都使得这一类数字设备和電子零件在现代生活中的出现频率远远超过有限应用专用的计算机。现代微处理器出现在包括从汽车到手机到儿童玩具在内的各种物品中。. 指令管線化(Instruction pipeline)是為了讓計算機和其它數位電子裝置能夠加速指令的通過速度(單位時間內被執行的指令數量)而設計的技術。 管線在處理器的內部被組織成層級,各個層級的管線能半獨立地單獨運作。每一個層級都被管理並且鏈接到一條“鏈”,因而每個層級的輸出被送到其它層級直至任務完成。 處理器的這種組織方式能使總體的處理時間顯著縮短。 未管線化的架構產生的效率低,因為有些CPU的模組在其他模組執行時是閒置的。管線化雖並不會完全消除CPU的閒置時間,但是能夠讓這些模組並行運作而大幅提升程式執行的效率。 但並不是所有的指令都是獨立的。在一條簡單的管線中,完成一個指令可能需要5層。如右圖所示,要在最佳性能下運算,當第一個指令被執行時,這個管線需要運行隨後4條獨立的指令。如果隨後4條指令依賴於第一條指令的輸出,管線控制邏輯必須插入延遲時脈周期到管線內,直到依賴被解除。而轉發技術能顯著減少延時。憑藉多個層,雖然管線化在理論上能提高效能,優勝於無管線的內核(假設時脈也因應層的數量按比例增加),但事實上,許多指令碼設計中並不會考慮到理想的執行。.

之间中央处理器和指令管線化相似

中央处理器和指令管線化有(在联盟百科)15共同点: 奔騰寄存器分支預測器CPU缓存超级计算机英特尔電子計算機電腦記憶體集成电路Intel P6OpteronRISCSPARC指令时钟频率

奔騰

奔騰(Pentium)是英特爾公司的一個註冊商標,作為其x86處理器品牌之一,於1993年推出。以往,「奔騰」是英特爾的唯一的x86處理器產品線,後來隨著其產品線的擴展衍生出低端的「賽揚」(Celeron)系列、供伺服器以及工作站使用的「至強」(Xeon)系列。2006年英特爾推出「酷睿」(Core)系列處理器產品線,取代原奔騰處理器系列的市場定位。時至今日,「奔騰」這個品牌仍然繼續使用,但市場定位被定位為比低端入門型的賽揚系列高一級,比橫貫中高端主流型和高端旗艦型的酷睿系列低一級的中端入門型級別。.

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寄存器

寄存器(Register),是中央處理器內的其中組成部份。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件,它們可用來暫存指令、數據和位址。在中央處理器的控制部件中,包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序計數器。在中央處理器的算術及邏輯部件中,包含的寄存器有累加器。 在電腦架構裡,處理器中的暫存器是少量且速度快的電腦記憶體,藉由提供快速共同地存取數值來加速電腦程式的執行:典型地說就是在已知時間點所作的之計算中間的數值。 暫存器是記憶體階層中的最頂端,也是系統操作資料的最快速途徑。暫存器通常都是以他們可以保存的位元數量來估量,舉例來說,一個8位元暫存器或32位元暫存器。暫存器現在都以暫存器陣列的方式來實作,但是他們也可能使用單獨的正反器、高速的核心記憶體、薄膜記憶體以及在數種機器上的其他方式來實作出來。 這個名詞通常都用來意指由一個指令之輸出或輸入可以直接索引到的暫存器群組。更適當的是稱他們為「架構暫存器」。例如,x86指令集定義八個32位元暫存器的集合,但一個實作x86指令集的CPU可以包含比八個更多的暫存器。.

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分支預測器

在電腦架構中,分支預測器(Branch predictor)是一種數位電路,在分支指令执行结束之前猜測哪一路分支將會被執行,以提高处理器的指令流水线的效能。使用分支預測器的目的,在於改善指令管線化的流程。現代使用指令管線化處理器的效能能夠提高,分支預測器对于现今的指令流水线微处理器获得高性能是非常关键的技術。.

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CPU缓存

在计算机系统中,CPU高速缓存(CPU Cache,在本文中简称缓存)是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层,仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存,但速度却可以接近处理器的频率。 当处理器发出内存访问请求时,会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在(命中),则不经访问内存直接返回该数据;如果不存在(失效),则要先把内存中的相应数据载入缓存,再将其返回处理器。 缓存之所以有效,主要是因为程序运行时对内存的访问呈现局部性(Locality)特征。这种局部性既包括空间局部性(Spatial Locality),也包括时间局部性(Temporal Locality)。有效利用这种局部性,缓存可以达到极高的命中率。 在处理器看来,缓存是一个透明部件。因此,程序员通常无法直接干预对缓存的操作。但是,确实可以根据缓存的特点对程序代码实施特定优化,从而更好地利用缓存。.

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超级计算机

超级计算机(Supercomputer),指能够执行一般个人电脑无法处理的大资料量与高速运算的计算机,规格与性能比个人计算机强大许多。现有的超级计算机运算速度大都可以达到每秒一兆(万亿,非百万)次以上。「超级计算」(supercomputing)這名詞第一次出現,是在1929年《纽约世界报》关于IBM为哥伦比亚大学建造大型報表机(tabulator)的报导。 1960年代,超级计算机由麥可·徐(Michael Tsui)在Control Data Corporation裡设计出来并领先市场直到1970年代克雷创立自己的公司──克雷研究。凭着他的新设计,他控制了整个超级计算机市场,并占据颠峰位置长达五年(1985年-1990年)。到了1980年代,正值小型计算机市场萌芽阶段,大量小型对手加入竞争。在1990年代中期,很多对手受不了市场的冲击而消声匿迹。今天,超级计算机成了一种由像IBM及惠普等大型计算机公司所特意设计的计算机。虽然这些公司通过不断并购其他公司而增强了自己的经验,克雷研究依然是超级计算机领域的巨头之一。.

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英特尔

英特爾公司(Intel Corporation,、)是世界上最大的半導體公司,也是第一家推出x86架構處理器的公司,總部位於美國加利福尼亞州聖克拉拉。由羅伯特·諾伊斯、高登·摩爾、安迪·葛洛夫,以“集成電子”(Integrated Electronics)之名在1968年7月18日共同創辦公司,將高階晶片設計能力與領導業界的製造能力結合在一起。英特爾也有開發主機板晶片組、網路卡、快閃記憶體、繪圖晶片、嵌入式處理器,與對通訊與運算相關的產品等。“Intel Inside”的廣告標語與Pentium系列處理器在1990年代間非常成功的打響英特爾的品牌名號。 英特爾早期在開發SRAM與DRAM的記憶體晶片,在1990年代之前這些記憶體晶片是英特爾的主要業務。在1990年代時,英特爾做了相當大的投資在新的微處理器設計上與培養快速崛起的PC工業。在這段期間英特爾成為PC微處理器的供應領導者,而且市場定位具有相當大的攻勢與有時令人爭議的行銷策略,就像是微軟公司一樣支配著PC工業的發展方向。而Millward Brown Optimor發表的2007年在世界上最強大的品牌排名顯示出英特爾的品牌價值由第15名掉落了10個名次到第25名。 而主要競爭對手有AMD、NVIDIA及Samsung。.

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電子計算機

--,亦稱--,计算机是一种利用数字电子技术,根据一系列指令指示其自动执行任意算术或逻辑操作序列的设备。计算机遵循被称为“程序”的一般操作集的能力使他们能够执行极其广泛的任务。 计算机被用作各种工业和消费设备的控制系统。这包括简单的特定用途设备(如微波炉和遥控器)、工业设备(如工业机器人和计算机辅助设计),以及通用设备(如个人电脑和智能手机之类的移动设备)等。尽管计算机种类繁多,但根据图灵机理论,一部具有最基本功能的计算机,应当能够完成任何其它计算机能做的事情。因此,理论上从智能手机到超级计算机都应该可以完成同样的作业(不考虑时间和存储因素)。由于科技的飞速进步,下一代计算机总是在性能上能够显著地超过其前一代,这一现象有时被称作“摩尔定律”。通过互联网,计算机互相连接,极大地提高了信息交换速度,反过来推动了科技的发展。在21世纪的现在,计算机的应用已经涉及到方方面面,各行各业了。 自古以来,简单的手动设备——就像算盘——帮助人们进行计算。在工业革命初期,各式各样的机械的出现,其初衷都是为了自动完成冗长而乏味的任务,例如织机的编织图案。更复杂的机器在20世纪初出现,通过模拟电路进行复杂特定的计算。第一台数字电子计算机出现于二战期间。自那时以来,电脑的速度,功耗和多功能性不断增加。在现代,机械计算--机的应用已经完全被电子计算机所取代。 计算机在组成上形式不一,早期计算机的体积足有一间房屋的大小,而今天某些嵌入式计算机可能比一副扑克牌还小。当然,即使在今天依然有大量体积庞大的巨型计算机为特别的科学计算或面向大型组织的事务处理需求服务。比较小的,为个人应用而设计的称为微型计算机(Personal Computer,PC),在中國地區简称為「微机」。我們今天在日常使用“计算机”一词时通常也是指此,不过现在计算机最为普遍的应用形式却是嵌入式,嵌入式计算机通常相对简单、体积小,并被用来控制其它设备——无论是飞机、工业机器人还是数码相机。 同计算机相关的技术研究叫计算--机科学,而「计算机技术」指的是将计算--机科学的成果应用于工程实践所派生的诸多技术性和经验性成果的总合。「计算机技术」与「计算机科学」是两个相关而又不同的概念,它们的不同在于前者偏重于实践而后者偏重于理论。至於由数据为核心的研究則称為信息技术。 传统上,现代计算机包括至少一个处理单元(通常是中央处理器(CPU))和某种形式的存储器。处理元件执行算术和逻辑运算,并且排序和控制单元可以响应于存储的信息改变操作的顺序。外围设备包括输入设备(键盘,鼠标,操纵杆等)、输出设备(显示器屏幕,打印机等)以及执行两种功能(例如触摸屏)的输入/输出设备。外围设备允许从外部来源检索信息,并使操作结果得以保存和检索。.

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電腦記憶體

電腦記憶體(Computer memory)是一種利用半導體技術制成的儲存資料的電子裝置。其電子電路中的資料以二進位方式儲存,記憶體的每一個儲存單元稱做記憶元。 電腦記憶體可分为内部存储器(简称内存或主存)和外部存储器,其中内存是CPU能直接寻址的存储空间,由半导体器件制成。内存的特点是存取速率快。内存是电脑中的主要部件,它是相对于外存而言的。我们平常使用的程序,如Windows操作系统、打字软件、游戏软件等,一般都是安装在硬盘等外存上的,但仅此是不能使用其功能的,必须把它们调入内存中运行,才能真正使用其功能,我们平时输入一段文字,或玩一个游戏,其实都是在内存中进行的。就好比在一个书房里,存放书籍的书架和书柜相当于电脑的外存,而我们工作的办公桌就是内存。通常我们把要永久保存的、大量的数据存储在外存上,而把一些临时的或少量的数据和程序放在内存上,当然内存的好坏会直接影响电脑的运行速度。.

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集成电路

集成电路(integrated circuit,縮寫:IC;integrierter Schaltkreis)、或称微电路(microcircuit)、微芯片(microchip)、晶--片/芯--片(chip)在电子学中是一种把电路(主要包括半導體裝置,也包括被动元件等)小型化的方式,並時常制造在半导体晶圓表面上。 前述將電路製造在半导体晶片表面上的積體電路又稱薄膜(thin-film)積體電路。另有一種(thick-film)(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动元件,集成到基板或线路板所构成的小型化电路。 本文是关于单片(monolithic)集成电路,即薄膜積體電路。 從1949年到1957年,維爾納·雅各比(Werner Jacobi)、杰弗里·杜默 (Jeffrey Dummer)、西德尼·達林頓(Sidney Darlington)、樽井康夫(Yasuo Tarui)都開發了原型,但現代積體電路是由傑克·基爾比在1958年發明的。其因此榮獲2000年諾貝爾物理獎,但同時間也發展出近代實用的積體電路的罗伯特·诺伊斯,卻早於1990年就過世。.

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Intel P6

#重定向 P6微架構.

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Opteron

Opteron是美國AMD公司一系列的64位元微處理器,中文名为皓龙。於2003年4月22日正式推出。Opteron處理器主要用於多路伺服器的領域上。最早的Opteron處理器採用了K8微處理器架構,及至2007年後期逐步過渡至K10微處理器架構。目前最新的Opteron採用的是2011年發表的Bulldozer微架構及其改版。除了x86及x86-64以外,還發售過使用ARM架構(AArch64、ARMv8)的機種。 其主要競爭對手為英特爾的Xeon處理器系列。原定Opteron將會採用Zen微架構打造,取代Bulldozer/Piledriver微架構的產品,不過最終AMD決定將推出十四年之久的本系列終止,以採用Zen微架構打造的EPYC系列取代之。.

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RISC

#重定向 精简指令集.

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SPARC

SPARC,名稱源自於可擴充處理器架構(Scalable Processor ARChitecture)的縮寫,是一種RISC指令集架構,最早於1985年由昇陽電腦所設計,也是SPARC國際公司的注冊商標之一。這家公司於1989年成立,其目的是向外界推廣SPARC,以及為該架構進行符合性測試。此外該公司為了擴闊SPARC設計的生態系統,SPARC國際也把標準開放,並授權予多間生產商採用,包括德州儀器、Cypress半導體、富士通等。由於SPARC架構也對外完全開放,因此也出現了完全開放原始碼的LEON處理器,這款處理器以VHDL語言寫成,並採用LGPL授權。 SPARC架構原設計給工作站使用,及後應用在昇陽、富士通等製造的大型SMP伺服器上。而昇陽開發的Solaris作業系統也是為SPARC設計的系統之一,除Solaris外,NeXTSTEP、Linux、FreeBSD、OpenBSD及NetBSD系統也提供SPARC版本。 現時最新版本的SPARC為第8及第9版,在2005年12月,昇陽方面宣佈其UltraSPARC T1處理器將採用開放原始碼方式。2007年,昇陽電腦宣佈UltraSPARC T2處理器已經加入OpenSPARC開放原始碼計劃。.

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指令

在计算机技术中,“指令”是由指令集架构定义的单个的CPU操作。在更广泛的意义上,“指令”可以是任何可执行程序的元素的表述,例如字节码。 在传统的构架上,指令包括一个操作码(opcode)——它指定了要进行什么样的操作,例如“将存储器中的内容与寄存器中的内容相加”——和零个或者更多的操作数(operand)——它可能指定了参与操作的寄存器、内存地址或者立即数(literal data)。操作数可能还包括寻址方式,它确定了操作数的含义。原文:The operand specifiers may have addressing modes determining their meaning or may be in fixed fields.——译者 在超長指令字(VLIW)构架中(包括很多微指令(microcode)构架)多个并发的操作和操作数在一条单独的指令中被指定。 指令的长度相差悬殊,从一些微控制器(microcontroller)中的4位(bit)到一些超长指令字系统中的几百位。大部分现代的个人计算机、大型计算机、超大型计算机中的处理器的指令尺寸在16到64位之间。在一些构架中,特别是RISC构架中,指令长度是固定的,通常与其构架的字长一致。在其他的构架中,指令有不同的长度,但通常是字节或者半个字的整数倍。 构成程序的指令很少以它在机器内部的数值形式而直接的被使用;它们可以被程序员通过汇编语言加以表示,或者,更常见的,被编译器生成。.

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时钟频率

时钟频率(又譯:時脈速度,clock rate)是指同步电路中时钟的基础频率,它以“每秒时钟周期”(clock cycles per second)来度量,量度单位採用SI單位赫兹(Hz)。例如,来自晶振的基准频率通常等于一个固定的正弦波形,则时钟频率就是这个基准频率,电子电路会为数字电子设备将它转化成对应的脉冲方波。需要补充一点的是,“速度”作为矢量不应与标量“频率”相混淆,所以使用“时钟速度”来描述这个概念是用词不当的。 在单个时钟--内(现代非嵌入式微处理器的这个时间一般都短于一纳秒)逻辑零状态与逻辑一状态来回切换。 由于发热和电气规格的限制,--里逻辑零状态的持续时间历来要长于逻辑一状态。 中央處理器(CPU)制造商常为时钟频率较高的CPU定额外的高价。就某个CPU来说,时钟频率是在生产环节的最后通过实测测定的。通过了特定测试标准的CPU会被标上这个标准相应的时钟频率,如1.5GHz。而当一个CPU没有通过较高时钟频率一级的测试但通过了较低一级的测试时,它会被标上一个较低的时钟频率。例如某个CPU未通过1.5GHz时钟频率的测试却通过了1.33GHz那一级的,它就会被标为1.33GHz,并且相对于时钟频率为1.5GHz的CPU,它的卖价要低。.

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上面的列表回答下列问题

中央处理器和指令管線化之间的比较

中央处理器有186个关系,而指令管線化有47个。由于它们的共同之处15,杰卡德指数为6.44% = 15 / (186 + 47)。

参考

本文介绍中央处理器和指令管線化之间的关系。要访问该信息提取每篇文章,请访问:

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