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工控機CPU基本概念介紹（二）

工控機CPU知識你(nǐ)了解多少呢？星屹小編将爲您詳細解讀工控機CPU制造工藝、指令集、CPU擴展指令集、CPU内核和I/O工作電壓這些概念。

2021-08-25 14:04:45上海星屹電子科技有限公司

本期上海星屹小編給大家(jiā)分享的是工控機CPU基本概念介紹，希望看完本篇文章您能(néng)對(duì)工控機有一個全新的認識！
工控機CPU知識你(nǐ)了解多少呢？星屹小編将爲您詳細解讀工控機CPU制造工藝、指令集、CPU擴展指令集、CPU内核和I/O工作電壓這些概念。
1.制造工藝
制造工藝的微米是指IC内電路與電路之間的距離。制造工藝的趨勢是向密集度愈高的方向發(fā／fà)展。密度愈高的IC電路設計，意味着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)在同樣大小面積的IC中，可(kě)以擁有密度更高、功能(néng)更複雜的電路設計。現在主要(yào / yāo)的180nm、130nm、90nm。近官方已經表示有65nm的制造工藝了。
2.指令集
（1）CISC指令集
CISC指令集，也稱爲複雜指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computer的縮寫）。在CISC微處理器中，程序的各條指令是按順序串行(háng / xíng)執行(háng / xíng)的，每條指令中的各個操作也是按順序串行(háng / xíng)執行(háng / xíng)的。順序執行(háng / xíng)的優點是控制簡單，但計算機各部分的利用(yòng)率不高，執行(háng / xíng)速度慢。其(qí)實它是英特爾生(shēng)産的x86系列（也就(jiù)是IA-32架構）CPU及其(qí)兼容CPU，如(rú)AMD、VIA的。即使是現在新起的X86-64（也被成AMD64）都是屬于(yú)CISC的範疇。要(yào / yāo)知道什麽是指令集還要(yào / yāo)從當今的X86架構的CPU說起。X86指令集是Intel爲其(qí)塊16位CPU(i8086)專門開發(fā／fà)的，IBM1981年(nián)推出的世界台PC機中的CPU—i8088(i8086簡化版)使用(yòng)的也是X86指令，同時電腦中爲提高浮點數據處理能(néng)力而(ér)增加了X87芯片，以後(hòu)就(jiù)将X86指令集和X87指令集統稱爲X86指令集。雖然随着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)CPU技術的不斷發(fā／fà)展，Intel陸續研制出更新型的i80386、i80486直到過(guò)去(qù)的PII至強、PIII至強、Pentium 3，後(hòu)到jintian的Pentium 4系列、至強（不包括至強Nocona），但爲了保證電腦能(néng)繼續運行(háng / xíng)以往開發(fā／fà)的各類應用(yòng)程序以保護和繼承豐富的軟件資源，所(suǒ)以Intel公司所(suǒ)生(shēng)産的所(suǒ)有CPU仍然繼續使用(yòng)X86指令集，所(suǒ)以它的CPU仍屬于(yú)X86系列。由于(yú)Intel X86系列及其(qí)兼容CPU（如(rú)AMD Athlon MP、）都使用(yòng)X86指令集，所(suǒ)以就(jiù)形成了jintian龐大的X86系列及兼容CPU陣容。x86CPU目前主要(yào / yāo)有intel的服務器CPU和AMD的服務器CPU兩類。
（2）RISC指令集
RISC是英文“Reduced Instruction Set Computing ” 的縮寫，中文意思是“精簡指令集”。它是在CISC指令系統基礎上發(fā／fà)展起來的，有人對(duì)CISC機進行(háng / xíng)測試表明，各種指令的使用(yòng)頻度相當懸殊，常使用(yòng)的是一些比較簡單的指令，它們jin占指令總數的20％，但在程序中出現的頻度卻占80％。複雜的指令系統必然增加微處理器的複雜性，使處理器的研制時間長，成本高。并且複雜指令需要(yào / yāo)複雜的操作，必然會(huì)降低計算機的速度。基于(yú)上述原因，20世紀80年(nián)代RISC型CPU誕生(shēng)了，相對(duì)于(yú)CISC型CPU ,RISC型CPU不jin精簡了指令系統，還采用(yòng)了一種叫做“超标量和超流水線結構”，很大增加了并行(háng / xíng)處理能(néng)力。RISC指令集是高性能(néng)CPU的發(fā／fà)展方向。它與傳統的CISC(複雜指令集)相對(duì)。相比而(ér)言，RISC的指令格式統一，種類比較少，尋址方式也比複雜指令集少。當然處理速度就(jiù)提高很多了。目前在中高dang服務器中普遍采用(yòng)這一指令系統的CPU，特别是高dang服務器全都采用(yòng)RISC指令系統的CPU。RISC指令系統更加适合高dang服務器的操作系統UNIX，現在Linux也屬于(yú)類似UNIX的操作系統。RISC型CPU與Intel和AMD的CPU在軟件和硬件上都不兼容。目前，在中高dang服務器中采用(yòng)RISC指令的CPU主要(yào / yāo)有以下(xià)幾類：PowerPC處理器、SPARC處理器、PA-RISC處理器、MIPS處理器、Alpha處理器。
（3）IA-64
EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精确并行(háng / xíng)指令計算機）是否是RISC和CISC體系的繼承者的争論已經有很多，單以EPIC體系來說，它更像Intel的處理器邁向RISC體系的重要(yào / yāo)步驟。從理論上說，EPIC體系設計的CPU，在相同的主機配置下(xià)，處理Windows的應用(yòng)軟件比基于(yú)Unix下(xià)的應用(yòng)軟件要(yào / yāo)好得(dé / de / děi)多。 Intel采用(yòng)EPIC技術的服務器CPU是安騰Itanium（開發(fā／fà)代号即Merced）。它是64位處理器，也是IA－64系列中的款。微軟也已開發(fā／fà)了代号爲Win64的操作系統，在軟件上加以支持。在Intel采用(yòng)了X86指令集之後(hòu)，它又轉而(ér)尋求更先進的64-bit微處理器，Intel這樣做的原因是，竅氚谕訝萘烤薮蟮膞86架構,從而(ér)引入精力充沛而(ér)又功能(néng)強大的指令集，于(yú)是采用(yòng)EPIC指令集的IA-64架構便誕生(shēng)了。IA-64 在很多方面來說，都比x86有了長足的進步。突破了傳統IA32架構的許多限制，在數據的處理能(néng)力，系統的穩定性、安全性、可(kě)用(yòng)性、可(kě)觀理性等方面獲得(dé / de / děi)了突破性的提高。IA-64微處理器大的缺陷是它們缺乏與x86的兼容，而(ér)Intel爲了IA-64處理器能(néng)夠更好地運行(háng / xíng)兩個朝代的軟件，它在IA-64處理器上（Itanium、Itanium2 ……)引入了x86-to-IA-64的解碼器，這樣就(jiù)能(néng)夠把x86指令翻譯爲IA-64指令。這個解碼器并不是有效率的解碼器，也不是運行(háng / xíng)x86代碼的好途徑（好的途徑是直接在x86處理器上運行(háng / xíng)x86代碼），因此Itanium 和Itanium2在運行(háng / xíng)x86應用(yòng)程序時候的性能(néng)非常糟糕。這也成爲X86-64産生(shēng)的根本原因。
（4）X86-64 （AMD64 / EM64T）
AMD公司設計，可(kě)以在同一時間内處理64位的整數運算，并兼容于(yú)X86-32架構。其(qí)中支持64位邏輯定址，同時提供轉換爲32位定址選項；但數據操作指令默認爲32位和8位，提供轉換成64位和16位的選項；支持常規用(yòng)途寄存器，如(rú)果是32位運算操作，就(jiù)要(yào / yāo)将結果擴展成完整的64位。這樣，指令中有“直接執行(háng / xíng)”和“轉換執行(háng / xíng)”的區别，其(qí)指令字段是8位或32位，可(kě)以避免字段過(guò)長。x86-64（也叫AMD64）的産生(shēng)也并非空穴來風，x86處理器的32bit尋址空間限制在4GB内存，而(ér)IA-64的處理器又不能(néng)兼容x86。AMD充分考慮顧客的需求，加強x86指令集的功能(néng)，使這套指令集可(kě)同時支持64位的運算模式，因此AMD把它們的結構稱之爲x86-64。在技術上AMD在x86-64架構中爲了進行(háng / xíng)64位運算，AMD爲其(qí)引入了新增了R8-R15通用(yòng)寄存器作爲原有X86處理器寄存器的擴充，但在而(ér)在32位環境下(xià)并不完全使用(yòng)到這些寄存器。原來的寄存器諸如(rú)EAX、EBX也由32位擴張至64位。在SSE單元中新加入了8個新寄存器以提供對(duì)SSE2的支持。寄存器數量的增加将帶來性能(néng)的提升。與此同時，爲了同時支持32和64位代碼及寄存器，x86-64架構允許處理器工作在以下(xià)兩種模式：Long Mode(長模式)和Legacy Mode(遺傳模式)Long模式又分爲兩種子模式64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。該标準已經被引進在AMD服務器處理器中的Opteron處理器。而(ér)今年(nián)也推出了支持64位的EM64T技術，再還沒被正式命爲EM64T之前是IA32E，這是英特爾64位擴展技術的名字,用(yòng)來區别X86指令集。Intel的EM64T支持64位sub-mode，和AMD的X86-64技術類似，采用(yòng)64位的線性平面尋址，加入8個新的通用(yòng)寄存器（GPRs），還增加8個寄存器支持SSE指令。與AMD相類似，Intel的64位技術将兼容IA32和IA32E，隻有在運行(háng / xíng)64位操作系統下(xià)的時候，才将會(huì)采用(yòng)IA32E。IA32E将由2個sub-mode組成：64位sub-mode和32位sub-mode，同AMD64一樣是向下(xià)兼容的。Intel的EM64T将完全兼容AMD的X86-64技術。現在Nocona處理器已經加入了一些64位技術，Intel的Pentium 4E處理器也支持64位技術。應該說，這兩者都是兼容x86指令集的64位微處理器架構，但EM64T與AMD64還是有一些不一樣的地方，AMD64處理器中的NX位在Intel的處理器中将沒有提供。
3.CPU擴展指令集
CPU依靠指令來計算和控制系統，每款CPU在設計時就(jiù)規定了一系列與其(qí)硬件電路相配合的指令系統。指令的強弱也是CPU的重要(yào / yāo)指标，指令集是提高微處理器效率的有效工具之一。從現階段的主流體系結構講，指令集可(kě)分爲複雜指令集和精簡指令集兩部分，而(ér)從具體運用(yòng)看，如(rú)Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）、SEE3和AMD的3DNow!等都是CPU的擴展指令集，分别增強了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能(néng)力。我們通常會(huì)把CPU的擴展指令集稱爲"CPU的指令集"。SSE3指令集也是目前規模小的指令集，此前MMX包含有57條命令，SSE包含有50條命令，SSE2包含有144條命令，SSE3包含有13條命令。目前SSE3也是先進的指令集，英特爾Prescott處理器已經支持SSE3指令集，AMD會(huì)在未來雙核xin處理器當中加入對(duì)SSE3指令集的支持，全美達的處理器也将支持這一指令集。
4.CPU内核和I/O工作電壓
從586CPU開始，CPU的工作電壓分爲内核電壓和I/O電壓兩種，通常CPU的核xin電壓小于(yú)等于(yú)I/O電壓。其(qí)中内核電壓的大小是根據CPU的生(shēng)産工藝而(ér)定，一般制作工藝越小，内核工作電壓越低；I/O電壓一般都在1.6~5V。低電壓能(néng)解決耗電過(guò)大和發(fā／fà)熱過(guò)高的問題。
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