[科普中國]-中央處理器執(zhí)行時間

簡介

中央處理器執(zhí)行時間有兩種解釋，1、CPU運行單個程序或進程的時間；2、整個計算機系統(tǒng)中CPU的運行時間。在計算機系統(tǒng)中，中央處理器執(zhí)行時間越長，CPU的利用率越高；系統(tǒng)的吞吐量不一定變高，這主要與作業(yè)的類型有關(guān)，長作業(yè)（例如，I/O型作業(yè)）占用中央處理器的時間較長，短作業(yè)占用中央處理器的時間較短。如果運行是長作業(yè)，系統(tǒng)吞吐量可能會變小；短作業(yè)則相反。

中央處理器主要功能處理指令英文Processing instructions；這是指控制程序中指令的執(zhí)行順序。程序中的各指令之間是有嚴格順序的，必須嚴格按程序規(guī)定的順序執(zhí)行，才能保證計算機系統(tǒng)工作的正確性。

操作控制一條指令的功能往往是由若干個操作信號的組合來實現(xiàn)的，因此，CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行操作。

時間控制對各種操作實施時間上的控制，稱為時間控制。因為在計算機中，各種指令的操作信號均受時間的嚴格控制。另一方面，一條指令的整個執(zhí)行過程也受到時間的嚴格控制。只有這樣，計算機才能有條不紊地自動工作1。

處理數(shù)據(jù)即對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算，或進行其他的信息處理。

其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)， 并執(zhí)行指令。在微型計算機中又稱微處理器，計算機的所有操作都受CPU控制，CPU的性能指標(biāo)直接決定了微機系統(tǒng)的性能指標(biāo)。CPU具有以下4個方面的基本功能：數(shù)據(jù)通信，資源共享，分布式處理，提供系統(tǒng)可靠性。運作原理可基本分為四個階段：提?。‵etch）、解碼（Decode）、執(zhí)行（Execute）和寫回（Writeback）。

增加中央處理器執(zhí)行時間的方法CPU是計算機中最寶貴的資源之一，但CPU的運行速度與I/O設(shè)備運行速度不匹配。增加中央處理器執(zhí)行時間一般可以從硬件和軟件角度考慮，硬件方面，為了減少CPU對I/O的控制，常見的方式有I/O通道方式和DMA方式。軟件方面常見的有多道程序方式。

I/O通道I/O通道(I/O Channel)設(shè)備的引入實際上，I/O通道是一種特殊的處理機。它具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過執(zhí)行通道(I/O)程序來控制I/O操作。但I/O通道又與一般的處理機不同，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是其指令類型單一，這是由于通道硬件比較簡單，其所能執(zhí)行的命令，主要局限于與I/O操作有關(guān)的指令；再就是通道沒有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機的內(nèi)存中的，換言之，是通道與CPU共享內(nèi)存。

DMA直接存儲器存取是一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，?shù)據(jù)可以從一個通道，不經(jīng)過CPU的處理就直接在存儲器或輸入輸出設(shè)備之間進行傳輸。

一個設(shè)備接口試圖通過總線直接向另一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)(一般是大批量的數(shù)據(jù))，它會先向CPU發(fā)送DMA請求信號。外設(shè)通過DMA的一種專門接口電路――DMA控制器（DMAC），向CPU提出接管總線控制權(quán)的總線請求，CPU收到該信號后，在當(dāng)前的總線周期結(jié)束后，會按DMA信號的優(yōu)先級和提出DMA請求的先后順序響應(yīng)DMA信號。CPU對某個設(shè)備接口響應(yīng)DMA請求時，會讓出總線控制權(quán)。于是在DMA控制器的管理下，外設(shè)和存儲器直接進行數(shù)據(jù)交換，而不需CPU干預(yù)。數(shù)據(jù)傳送完畢后，設(shè)備接口會向CPU發(fā)送DMA結(jié)束信號，交還總線控制權(quán)。

實現(xiàn)DMA傳送的基本操作如下：

（1）外設(shè)可通過DMA控制器向CPU發(fā)出DMA請求：

（2）CPU響應(yīng)DMA請求，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)镈MA工作方式，并把總線控制權(quán)交給DMA控制器；

（3）由DMA控制器發(fā)送存儲器地址，并決定傳送數(shù)據(jù)塊的長度；

（4）執(zhí)行DMA傳送；

（5）DMA操作結(jié)束，并把總線控制權(quán)交還CPU。

多道程序多道程序設(shè)計技術(shù)是在計算機內(nèi)存中同時存放幾道相互獨立的程序，使它們在管理程序控制下，相互穿插運行，兩個或兩個以上程序在計算機系統(tǒng)中同處于開始到結(jié)束之間的狀態(tài), 這些程序共享計算機系統(tǒng)資源。與之相對應(yīng)的是單道程序，即在計算機內(nèi)存中只允許一個的程序運行。

對于一個單CPU系統(tǒng)來說，程序同時處于運行狀態(tài)只是一種宏觀上的概念，他們雖然都已經(jīng)開始運行，但就微觀而言，任意時刻，CPU上運行的程序只有一個。