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微處理器設計/基礎理論

來自華夏公益教科書,開放的書籍,為開放的世界

這個微晶片基礎理論簡要描述了微晶片的架構,使用“貨物卡車類比”。

我們可以想象整個微晶片本身就是一個巨大的城市。我們還假設這個城市本身從輸入端進口貨物,並將貨物出口到輸出端。城市內部,有很多高速公路連線城市各個部分進行處理。卡車在城市之間運輸貨物。

時鐘速度

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第一個限制顯然是送貨卡車的速度。如果卡車能更快地送貨,它也能在城市中運送更多貨物,例如每年 200 萬噸貨物(以 2.0 Ghz 的速度思考)與每年 250 萬噸貨物相比(同樣,以 2.5 Ghz 的速度思考)。這類似於 2.5 Ghz CPU 比 2.0 Ghz CPU 能處理更多資料。

但是,送貨卡車在高速公路上行駛的速度是有限制的;如果司機開得太快,他可能會意外丟失一些貨物,甚至可能發生事故。因此,單輛送貨卡車的速度受道路安全性的限制。(以時鐘速度思考)


CPU 製造

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有一些方法可以使高速公路更安全,例如將所有彎道加寬,建造護欄,使瀝青更平滑,確保道路上沒有碎石等,這樣可以安全地提高送貨卡車的最高速度。

新的製造工藝還可以讓你在給定空間內放入更多電晶體,這反過來給你提供了實現許多複雜邏輯結構所需的空間。任何落在晶圓上的汙染物都會損壞晶片。這也解釋了為什麼用於製造 CPU 的潔淨室非常乾淨(每立方米百萬分率的顆粒數量非常低)。


流水線

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如果只有一輛卡車在城市中執行,待處理的貨物需要等待卡車從之前的目的地返回,然後才能繼續處理訂單。因此,待命卡車越多,送貨速度越快,從而減少等待時間。

這類似於流水線,其中處理器必須執行的不同任務被分成單獨的“作業”,當一條指令從流水線的一部分移動到另一部分時,可以啟動一條新的指令,而第一條指令尚未完全完成。


一條四車道公路比一條單車道公路能運送更多的卡車。如果一條車道繁忙,其他三條車道可以同時分擔交通負載,以防止交通堵塞。

這類似於多核,其中每條車道代表一個核心,更多核心會導致並行處理。如果主核心的處理能力過於有限,其他輔助核心可以幫助減輕主核心的計算工作量。


32 位和 64 位架構

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一輛 2 噸卡車的載重量比一輛 1 噸卡車更大。

這類似於 64 位架構,與 32 位架構相比,它能為處理器提供更多的記憶體空間。(4GB 記憶體)與 64 位(4PB,400 萬 GB)相比。


為了提高效率,倉庫配備了裝卸區,在那裡,最受歡迎的貨物會在卡車從送貨回來時優先裝載。

這類似於 *快取*。訪問 RAM 通常是一個(相對)緩慢的操作,因此處理器快取越大,處理器訪問 RAM 獲取所需資料的頻率越低。實際上,大多數現代處理器中有 3 級快取,每一級都比上一級小得多,但速度快得多。

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