什么是操作系统？

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匿名用户
2022-07-01

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中央处理器
1CPU的功能和组成
1.1CPU的功能
一旦把程序装入内存存储器，就可以由计算机来自动完成取出指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理器，通常简称CPU。
CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它有以下四方面的基本功能：
（1）指令控制程序的顺序控制，称为指令系统。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必有须严格按控制规定的顺序进行，因此，保证机器按顺序执行是CPU的基本任务。
（2）操作控制一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生内存取出的每条指令的操作信号，把各种信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
（3）时间控制对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。
（4）数据格式所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，是CPU的基本任务。因为，原始信息只有加工处理后才能对人们有用。
1.2CPU的基本组成
传统的CPU由运算器和控制器两大部分组成。但随着技术进步，现在CPU的基本部分变成了运算器、cache和控制器三大部分。
（1）控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器的主要功能有：内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间的数据流动方向。
（2）运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲控制器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理的部件。相对于控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出信号来指挥的，所以它是执行部件。运算器械有两个功能：执行所有的算术运算；执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零测试值或两个值的比较。通常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判决。
微程序设计技术是利用软件方法设计操作控制器的一门技术，具有规范性、灵活性、可维护性等一系列优点，因而在计算机设计中得到了广泛应用，并取代了早期的硬布线技术。但随着VISI技术的发展和对机器速度的要求，硬布线逻辑思想又得到了重视。硬布线控制器的基本思想：某一微操作控制信号是指令操作码译码输出、时序信号和状态条件信号的逻辑函数，即用布尔代数写出逻辑表达式，然后用门电路、触发器等器件实现。
2.指令周期
CPU每取出并执行一条指令，都要完成一系列的操作，这一系列操作所需的时间通常叫做一个指令周期。更简单地说，指令周期是取出并执行一条指令的时间。由于各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周期是尽相同的。例如，一条访问指令的指令周期，同一条非访问指令的指令周期是不相同。
指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称为机器周期。由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存所花的时间较长，因此通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。这就是说，一条指令的取出阶段（通常称为取指）需要一个CPU周期。而一个CPU周期时间又包含有若干时钟周期（通常称为节拍脉冲或T周期，它是处理操作的最基本单位。）
3.流水CPU
流水CPU是以时间并行为原理构造的处理器，这是一种非常经济而实用的并行技术。目前高性能处理器几乎无一例外地使用了流水技术。流水技术主要的问题是资源相关、数据相关和控制相关，为此采用相应的技术对策。才能保证流水线畅通而不断流。
现代流水计算机，其中CPU按流水线方式组织，通常由三大部分组成：指令部件、指令队列、执行部件。这三个功能部件可以组成一个3流水线。
指令部件本身又构成一个流水线，即指指令流水线，它由取指令、指令译码、计算机操作数地址、取操作数等几个过程段组成。
指令队列是一个先进先出（FIFO）的寄存器栈，用于存放经过译码的指令和取来的操作数。它也是由若干个过程组成的流水线。
执行部件可以具有多少个算术逻辑运算部件，这些部件本身又用流水线方式构成。
为了使用储存器的存取时间能与流水线的其他各过程段的速度匹配，一般配采用多体交差存储器。
一个计算机系统可以在不同的并行等级上采用流水线技术。常见流水线形式有：
指令流水线指指令步骤的并行。将指令流的处理过程分为取指令、译码、取操作数、执行、写回等几个并行处理的过程段。目前，几乎所有的高性能计算机都采用了指令流水线。
算术流水线指运算操作步骤并行。如流水加法器、流水乘法器、流水除法器等。
外理机流水线又称宏流水线，是指程序步骤的并行。
4.RISC CPU与多媒体CPU
RISC CPU是继承CISC的成功技术，并在克服CISC机器缺点的基础上发展起来的。RISC机器的三个基本要素：（1）一个有限的简单指令集；（2）CPU配备大量的能用寄存器；（3）强调指令流水线的优化。注意，RISC机器一定是流水CPU，但是流水CPU不一定是RISC机器。
多媒体CPU是带MMX技术的处理器。MMX是一种多媒体扩展结构技术，特别适合于图像数据处理，极大提高了计算机在多媒体和通信应用的功能。多媒体CPU以新一代奔腾CPU为代表，开始采用单指令流多数据的新型结构。