第二章計算機組成原理-21、22

第二章計算機組成原理2.1計算機的組成與分類主要內(nèi)容：計算機的邏輯結(jié)構(gòu) 各組成部分的基本功能 計算機分類 計算機主要性能指標(biāo)2.1.1計算機的發(fā)展與作用1.計算機的發(fā)展第1～4代計算機的對比代別年代使用的元器件使用的軟件類型主要應(yīng)用領(lǐng)域第1代20世紀(jì)40年代中期～50年代末期CPU：電子管內(nèi)存：磁鼓使用機器語言和匯編語言編寫程序科學(xué)和工程計算第2代20世紀(jì)50年代中、后期～60年代中期CPU：晶體管內(nèi)存：磁芯使用FORTRAN等高級程序設(shè)計語言開始廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域第3代20世紀(jì)60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內(nèi)存：SSI，MSI的半導(dǎo)體存儲器操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等開始使用在科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用第4代20世紀(jì)70年代中期以來CPU：LSI、VLSI內(nèi)存：LSI、VLSI的半導(dǎo)體存儲器軟件開發(fā)工具和平臺、分布式計算、網(wǎng)絡(luò)軟件等開始廣泛使用深入到各行各業(yè)，家庭和個人開始使用計算機計算機的應(yīng)用模式：集中計算模式，20世紀(jì)50年代，依賴于大型計算機分散計算模式，80年代，個人計算機的廣泛使用網(wǎng)絡(luò)計算模式，90年代，計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。計算機進行信息處理的特點：速度快、通用性強具有多種多樣的信息處理能力（計算、文字、圖像、聲音等）信息存儲容量大、存取速度高具有互連、互通和互操作的特性2.計算機的巨大作用

大大擴展和改善了服務(wù)范圍與質(zhì)量，提高了工作效率，推動了社會進步為人類創(chuàng)造文化提供了現(xiàn)代化工具，改變了創(chuàng)造和傳播文化的方式、方法，大大擴展了人類文化活動的領(lǐng)域，豐富了文化的內(nèi)容改變著人們的工作與生活方式對于政治、經(jīng)濟、科技、文化、軍事、國防等方面的發(fā)展具有難以估量的意義2.計算機的巨大作用

先進信息技術(shù)帶來進步和機遇的同時，也會帶來一些新的社會問題和引發(fā)某些潛在的危機，例如：個人隱私受到威脅，信息欺騙和計算機犯罪增加，知識產(chǎn)權(quán)保護更加困難，計算機系統(tǒng)崩潰將帶來不可預(yù)測的后果，不良和有害信息隨意傳播甚至泛濫，大量電子垃圾污染環(huán)境破壞生態(tài)，長期沉迷于計算機游戲、網(wǎng)絡(luò)聊天等給青少年生理和心理帶來嚴(yán)重危害等等。2.1.3計算機的分類按內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分為:單處理機、多處理機(并行機)按字長分為:16位機、32位機或64位計算機等按計算機的性能、用途和價格分為:巨型計算機（Supercomputer）大型計算機（Mainframe）小型計算機（Minicomputer）個人計算機（PersonalComputer）計算機的分類1、巨型計算機（Supercomputer）

巨型計算機也稱超級計算機，它采用大規(guī)模并行處理的體系結(jié)構(gòu)，CPU由數(shù)以百計、千計、萬計的處理器組成，有極強的運算處理能力，速度達到每秒十萬億次以上，大多使用在軍事、科研、氣象、石油勘探等領(lǐng)域。NECSX-6/64MB巨型計算機外形2、大型計算機（Mainframe）

運算速度快、存儲容量大、通信聯(lián)網(wǎng)功能完善、可靠性高、安全性好、有豐富的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的計算機。CPU通常有幾十個甚至更多處理器。應(yīng)用領(lǐng)域：為企業(yè)或政府的數(shù)據(jù)提供集中的存儲、管理和處理，承擔(dān)主服務(wù)器的功能，在信息系統(tǒng)中起著核心作用。代表產(chǎn)品：IBM公司zSeries990大型計算機計算機的分類3、小型計算機（Minicomputer）

供部門使用的計算機。近些年來，小型機逐步被高性能的服務(wù)器（部門級服務(wù)器）取代。功能：為多個用戶執(zhí)行任務(wù)，但它沒有大型機的高性能，支持的并發(fā)用戶數(shù)目比較少。小型機的典型應(yīng)用是幫助中小企業(yè)（或大型企業(yè)的一個部門）完成信息處理任務(wù)，如庫存管理、銷售管理、文檔管理等。計算機的分類小型機4、個人計算機（PersonalComputer，PC機或微機）

價格便宜，使用方便，軟件豐富，性能不斷提高，適合辦公或家庭使用，只用來處理一個用戶的任務(wù)類型：

-臺式機

-便攜機

-超級便攜機UMPC(Ultra-MobilePC)-工作站計算機的分類

便攜機：用于移動計算。

筆記本（膝上機）：體積小、重量輕，便于外出攜帶，性能與臺式機相當(dāng)，但價格高出一倍左右。手持式計算機（掌上機）：包括商務(wù)通、快譯通等產(chǎn)品它們與PC機不一定兼容，有些只有一些專用功能，缺乏通用性。計算機的分類臺式機筆記本電腦掌上計算機背景材料：PC的新品種：UMPCUMPC的另一個名稱是MID(MobileInternetDevice)特點：與PC兼容，具有通用性隨時攜帶(5～9英寸屏，500克左右)TouchPackInterface

其它功能：GPS,webcams,fingerprintreaders,stereospeakers,TVtuners,memorycardreaders,Bluetooth,Wi-Fi背景材料：UMPC的零部件IntelAtom(凌動)處理器IntelMoorestown主板固態(tài)硬盤（SSD）·Z500-800MHz,0.65W,400MHzFSB,512KL2緩存($45)

·Z510-1.1GHz,2W,400MHzFSB,512KL2緩存($45)

·Z520-1.33GHz,2W,533MHzFSB,512KL2緩存($65)

·Z530-1.6GHz,2W,533MHzFSB,512KL2緩存($95)

·Z540-1.86GHz,2.4W,533MHzFSB,512KL2緩存($160)SamsungQ1URENA1采用AMDGeodeLX800處理器，7英寸WVGA觸摸屏幕，800*480像素，256MB內(nèi)存、30G硬盤，802.11b/g無線模塊，內(nèi)置GPS功能，2個USB接口，重量695克，預(yù)裝WindowsXP。

背景材料：UMPC產(chǎn)品

工作站（一種特殊的個人計算機，稱為工程工作站

Workstation)

具有高速運算能力和強大的圖形處理功能，通常運行UNIX

操作系統(tǒng)，特別適合于工程與產(chǎn)品設(shè)計使用。SGI，SUN，HP，

IBM等公司都有此類產(chǎn)品。計算機的分類工作站

客戶機/服務(wù)器在這種系統(tǒng)中，巨型機、大型機和小型機均可作為系統(tǒng)的

服務(wù)器，個人計算機和工作站則用作客戶機。 客戶機直接面向用戶，通過聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器共同合作完成信息處理的任務(wù)。 鑒于客戶機/服務(wù)器系統(tǒng)的盛行，一些計算機廠家專門設(shè)計生產(chǎn)了稱為“服務(wù)器”的一類計算機產(chǎn)品，它們的存儲容量大，網(wǎng)絡(luò)通信功能強、可靠性好、運行專門的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。計算機的分類計算機的分類按性能和價格分類巨型計算機(supercomputer)大型計算機小型計算機個人計算機(personalcomputer)筆記本PC臺式PC工作站(workstation)作為服務(wù)器(server)使用獨立使用或作為客戶機(client)使用2.1.4微處理器與嵌入式計算機

VLSI（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)產(chǎn)生了微處理器（1971）(簡稱為P或MP)

通常指使用單片大規(guī)模集成電路制成的、具有運算和控制功能的部件，作為信息處理的核心裝置。單片機或嵌入式計算機：

處理器+存儲器+輸入/輸出控制+I/O接口電路做在一個芯片上的超大規(guī)模集成電路，稱為單片機或嵌入式計算機。應(yīng)用：家電、智能儀表、通信設(shè)備等特點：

-功能固定、專用，軟件固化在芯片上，功能和用途不能再輕易改變；

-大多滿足實時信息處理、

-最小化存儲容量、最小化功耗、

-適應(yīng)惡劣工作環(huán)境、

-以最低成本滿足應(yīng)用要求。單片機、嵌入式計算機2.1.2計算機的組成硬件：計算機系統(tǒng)中所有實際物理裝置的總稱。軟件：在計算機中運行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)文檔。

程序：用來向計算機硬件指出應(yīng)如何一步步地進行規(guī)定的操作；數(shù)據(jù)：程序處理的對象；文檔：軟件設(shè)計報告、操作使用說明等。它們都是軟件不可缺少的組成部分。計算機系統(tǒng)計算機硬件計算機軟件運算器控制器輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)程序語言處理系統(tǒng)文字處理通信···娛樂計算機是一個復(fù)雜系統(tǒng)計算機硬件組成示意圖

總線外存儲器接口輸入輸出運算器中央處理器內(nèi)存儲器控制器輸入設(shè)備控制器外存儲器控制器輸出設(shè)備I/O接口存儲器控制器主機外設(shè)

控制器是分散的，總線也是控制器。計算機硬件的組成計算機硬件中央處理器（CPU）內(nèi)存儲器外存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備通過總線互相連接主機CPU內(nèi)存儲器總線輸入設(shè)備外圍設(shè)備（外設(shè)）外存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備

輸入（input）

--指把信息（程序，數(shù)據(jù)）送入計算機的過程；

--（名詞）指向計算機輸入的內(nèi)容。輸入設(shè)備

--用來向計算機輸入信息的設(shè)備；

--輸入到計算機中的信息都使用二進制數(shù)來表示。輸入設(shè)備分類：數(shù)字和文字輸入設(shè)備：鍵盤、手寫板等；位置和命令輸入設(shè)備：鼠標(biāo)、觸摸屏等；圖形輸入設(shè)備：掃描儀、數(shù)碼相機等；聲音輸入設(shè)備：麥克風(fēng)、MIDI演奏器等；視頻輸入設(shè)備：攝像機；溫度、壓力輸入設(shè)備：溫度、壓力傳感器等。

輸出設(shè)備

輸出（output）——把信息送出計算機（名詞）指計算機所產(chǎn)生的結(jié)果。計算機的輸出可以是文本、語音、音樂、圖像、動畫等。輸出設(shè)備完成信息輸出的設(shè)備。即把計算機中用“0”和“1”

表示的信息轉(zhuǎn)換成人可直接識別和感知形式的設(shè)備。

輸出設(shè)備

輸出設(shè)備類別輸出文字和圖形的設(shè)備：顯示器 打印機 繪圖儀輸出聲音的設(shè)備：音箱

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備通稱為I/O設(shè)備內(nèi)存儲器和外存儲器

存儲器

存儲程序和數(shù)據(jù)(包括原始數(shù)據(jù)、中間運算結(jié)果與最終結(jié)果等)的部件。

存儲器的樣子內(nèi)存條硬盤、光盤、軟盤移動存儲器（優(yōu)盤）看不見的Cache內(nèi)存儲器和外存儲器

內(nèi)、外存儲器劃分：是否直接與CPU相連

存儲器類別與特性內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存或主存)

存取速度快、容量相對小，價格相對高直接與CPU相連接（CPU可直接訪問）

易失性，用于臨時存放CPU正在運行的程序、正被處理的數(shù)據(jù)以及產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)：半導(dǎo)體芯片內(nèi)存儲器和外存儲器s,ms,μs,ns

外存儲器(簡稱外存或輔存)

存取速度慢、容量相對大，價格相對低不直接與CPU相連接（CPU不能直接訪問，其中存儲的程序及相關(guān)的數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存，才能被CPU使用）

非易失性，用于長期存放各類信息存儲介質(zhì)：磁盤、光盤、磁帶等內(nèi)存儲器和外存儲器總線:用于在CPU、內(nèi)存、外存和各種輸入輸出設(shè)備之間傳輸信息并協(xié)調(diào)它們工作的一組共享的傳輸線和控制電路。

-CPU總線（前端總線）：連接CPU和內(nèi)存的總線

-

I/O總線：連接內(nèi)存和I/O設(shè)備（包括外存）的總線總線（BUS）與I/O接口

為了便于更換與擴充I/O設(shè)備，計算機系統(tǒng)中的I/O設(shè)備一般都通過I/O接口與各自的控制器連接，然后由控制器與I/O總線相連。常用的I/O端口有并行口、串行口、視頻口、USB口等，它們的外形、結(jié)構(gòu)和信號交換規(guī)程各不相同。總線與I/O接口中央處理器

處理器負(fù)責(zé)對輸入信息進行各種處理的部件，能高速執(zhí)行二進制數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運算和數(shù)據(jù)傳送等操作。微處理器（microprocessor）簡稱μP或MP。處理器的所有組成部分制作在一塊大小僅為幾個平方厘米的半導(dǎo)體芯片上，因為體積小，故稱為“微處理器”。

一臺計算機中有多個處理器，它們各有不同的任務(wù)顯卡

Modem卡

CPU

承擔(dān)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運行任務(wù)的處理器稱為CPU，

---是任何一臺計算機必不可少的核心組成部件。中央處理器（CPU）中央處理器（CPU）

并行處理和多處理器系統(tǒng) 使用多個CPU（2，4，8或更多）實現(xiàn)超高速計算的技術(shù)稱為“并行處理”，采用這種技術(shù)的計算機系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。Intel公司微處理器的發(fā)展變化30多年來其主要產(chǎn)品的發(fā)展過程為：8088（8086）→80286→80386→80486→→Pentium→PentiumPRO→PentiumII→→PentiumIII→Pentium4→→賽揚→賽揚D→賽揚雙核奔騰M→Mobil奔騰→賽揚MPentiumD→Core2（便攜機）（經(jīng)濟型）（臺式主流）Intel微處理器當(dāng)前產(chǎn)品主流CPU芯片有三大系列：Celeron系列：賽揚、賽揚D、賽揚雙核、賽揚MPentium系列：奔騰4、奔騰D、奔騰雙核、奔騰至尊、奔騰M、Mobil奔騰Core系列：酷睿2雙核(Core2Duo)、酷睿2四核(Core2Quad)系列、酷睿2至尊(Core2Extreme)五類應(yīng)用定位：臺式機：多媒體、商用、輕便型筆記本：高性能、主流、經(jīng)濟型服務(wù)器：商用事務(wù)處理、Web服務(wù)型（至強Xeon；安騰Itanium、安騰2）Internet設(shè)備：Atom處理器嵌入式與通信2.2CPU的邏輯結(jié)構(gòu)

與工作原理2.2.1CPU的邏輯結(jié)構(gòu)2.2.2指令與指令系統(tǒng)2.2.3CPU的性能指標(biāo)2.2.1CPU的邏輯結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)與原理中央處理器運算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器JohnvonNeumann馮諾依曼美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮?諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)和原理——存儲程序控制：-計算機的工作由程序控制，程序是一個指令序列，指令是能被計算機理解和執(zhí)行的操作命令；指令與數(shù)據(jù)都用二進制表示，預(yù)先存放在存儲器內(nèi)，按地址進行存取；計算機工作時，CPU從內(nèi)存取出指令和數(shù)據(jù)，按指令的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進行運算處理，直到程序完成為止。指令是由CPU一條一條順序執(zhí)行的?！按鎯Τ绦蚩刂啤痹恝贑PU從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)④將指令的運算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存⑤任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長久保存外存儲器內(nèi)存儲器CPU①任務(wù)啟動時，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內(nèi)存程序指令1指令2指令k指令n數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)③CPU逐條執(zhí)行指令,按指令要求完成對數(shù)據(jù)的運算和處理指令是什么？指令就是命令，它用來規(guī)定CPU執(zhí)行什么操作。指令是構(gòu)成程序的基本單位，程序是由一連串指令組成的指令采用二進位表示，大多數(shù)情況下指令由兩部分組成：

操作碼操作數(shù)地址指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個命令詞，例如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等指出該指令所操作(處理)的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置每一種不同類型的CPU都有它自己獨特的一組指令。舉例:100206把02存儲單元和06存儲單元中的內(nèi)容相加，結(jié)果保存在02單元指令？CPU的組成

運算器（執(zhí)行單元）對數(shù)據(jù)進行各種算術(shù)運算和邏輯運算?？刂破魅≈噶睿忉屩噶畹暮x（指令譯碼）產(chǎn)生控制其它部件的操作控制信號，記錄內(nèi)部狀態(tài)。寄存器組臨時存放參加運算的數(shù)據(jù)和得到的中間結(jié)果。

CPU的任務(wù)：CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，并完成指令所規(guī)定的操作。CPU的執(zhí)行指令：寄存器組運算器中央處理器指令計數(shù)器指令寄存器控制器數(shù)據(jù)程序指令1指令2指令k指令n數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器指令

指令地址

操作數(shù)地址存放待執(zhí)行指令的地址已經(jīng)啟動運行的程序和數(shù)據(jù)存放待執(zhí)行的指令并進行譯碼完成規(guī)定的運算暫存等待處理的數(shù)據(jù)操作命令存儲最后結(jié)果到內(nèi)存CPU執(zhí)行指令示例：~~~~內(nèi)存儲器AC927BALU01234567STORER1內(nèi)存地址CStep3:存數(shù)指令9Step2:加法指令A(yù)DDR1R3R5(3＃寄存器內(nèi)容與5＃寄存器內(nèi)容相加，并把和數(shù)寫入1＃寄存器)step1:取數(shù)指令LOADR3內(nèi)存地址ALOADR5內(nèi)存地址B27362793636寄存器演示2、演示3細(xì)化處理器內(nèi)部主要功能部件

運算器（ALU:算術(shù)邏輯部件)

：用來對數(shù)據(jù)進行各種算術(shù)或邏輯運算整數(shù)運算器——完成整數(shù)運算

浮點運算器——完成實數(shù)運算

寄存器（組）：臨時保存被執(zhí)行的指令、參加運算的數(shù)據(jù)和運算結(jié)果數(shù)據(jù)Cache——高速緩沖存儲器

問題：由于CPU工作速度很快，內(nèi)存速度比較慢（差1～2個數(shù)量級），從內(nèi)存取數(shù)或向內(nèi)存寫數(shù)時，CPU往往需要等待解決：Cache細(xì)化處理器內(nèi)部主要功能部件什么是cache(高速緩存)？cache直接制作在CPU芯片內(nèi)，速度幾乎與CPU一樣快程序運行時，CPU使用的一部分?jǐn)?shù)據(jù)/指令會預(yù)先成批拷貝在cache中，cache的內(nèi)容是主存儲器中部分內(nèi)容的映象當(dāng)CPU需要從內(nèi)存讀(寫)數(shù)據(jù)或指令時，先檢查cache中有沒有，若有，就直接從cache中讀取，而不用訪問主存儲器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息拷貝在cache存儲器中Cache主存儲器Cache從CPU收到地址A讀出A內(nèi)容送CPUA的內(nèi)容在cache中嗎？訪問主存讀出A及相鄰地址內(nèi)容將A內(nèi)容發(fā)送給CPU在cache中騰出空位置供接收用cache接收A及相鄰地址的內(nèi)容Cache的操作過程如果被訪問的信息不在cache中，稱為失效(miss)如果被訪問的信息在cache中，稱為命中(hit)

命中率H是CPU需要的指令或數(shù)據(jù)在cache中能直接找到的概率，通常在95％以上程序局部性的表現(xiàn)：空間局部性：當(dāng)前訪問的某個數(shù)據(jù)(或指令)，其鄰近范圍的數(shù)據(jù)(或指令)可能很快也會被訪問(程序在一段時間內(nèi)所訪問的數(shù)據(jù)或指令集中在一小部分地址空間中)時間局部性：當(dāng)前訪問的某個數(shù)據(jù)(或指令)可能很快又會再次被訪問關(guān)于cache存儲器如何提高cache的命中率？增大cache容量采用多級cache技術(shù)(2級或3級等)cache中采用快速的查找算法，判定是否命中不能命中時，采用有效的算法將讀入的內(nèi)容替換cache中暫時不使用的內(nèi)容編譯器優(yōu)化目標(biāo)程序程序員寫出cache-friendly的程序Pentium4的cache存儲器Pentium4中有3個cache存儲器，分成兩級：一級cache數(shù)據(jù)緩存（L1數(shù)據(jù)cache），8KB指令緩存，8KB二級緩存（L2cache），256KB～2MBL2cache(48GB/s)

L1數(shù)據(jù)cache(8KB)指令cache及指令預(yù)取部件前端總線256位，時鐘頻率64位,時鐘頻率總線接口部件預(yù)取控制邏輯（Pentium4）（80386）Cache演變過程:二級一級關(guān)于cache存儲器

指令預(yù)取部件提前向主存或快存去取出準(zhǔn)備要執(zhí)行的指令指令Cache——指令高速緩沖存儲器指令計數(shù)器存放CPU正在執(zhí)行的指令在內(nèi)存中的地址。多數(shù)情況下指令是順序執(zhí)行，CPU每執(zhí)行一條指令計數(shù)器就加1。

指令譯碼部件 分析指令需要執(zhí)行什么操作，然后產(chǎn)生控制信號去控制運算器或其它部件具體執(zhí)行這些操作。細(xì)化處理器內(nèi)部主要功能部件指令的執(zhí)行過程CPU的控制器根據(jù)指令計數(shù)器中的地址從存儲器讀取一條指令并放入指令寄存器；指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應(yīng)進行何種操作、操作數(shù)在哪里；根據(jù)操作數(shù)的位置取出操作數(shù)；運算器按照指令操作碼的要求，對操作數(shù)完成規(guī)定的運算處理，并根據(jù)運算結(jié)果修改或設(shè)置處理器的一些狀態(tài)標(biāo)志；把運算結(jié)果保存到指定的寄存器，需要時將運算結(jié)果保存至內(nèi)存單元；修改指令計數(shù)器，決定下一條指令的地址。CPU的執(zhí)行指令：寄存器組運算器中央處理器指令計數(shù)器指令寄存器控制器數(shù)據(jù)程序指令1指令2指令k指令n數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器指令

指令地址

操作數(shù)地址操作命令Cache2.2.2指令與指令系統(tǒng)instructionsetsoftwarehardware指令系統(tǒng)（instructionset）

一個CPU所能執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)或指令組，即它的機器語言。指令應(yīng)該簡單，簡單才能提高速度!

主要有以下幾類指令：

--數(shù)據(jù)傳送指令--移位指令

--算術(shù)運算指令--位（位串）操作指令

--邏輯運算指令--控制轉(zhuǎn)移指令

--輸入/輸出指令等指令系統(tǒng)（instructionset）

每一類指令（如數(shù)據(jù)傳送類、算術(shù)運算類）又按照操作數(shù)的性質(zhì)（如整數(shù)還是實數(shù)）、長度（16位、32位、64位、128位等）而區(qū)分為許多不同的指令，因此CPU往往有數(shù)以百計的不同的指令。指令系統(tǒng)兼容

由于每種類型的CPU都有自己的指令系統(tǒng)，因此，某一類計算機的可執(zhí)行程序代碼未必能在其他計算機上運行，這個問題稱之為計算機的“兼容性”問題。同一公司的ＣＰＵ產(chǎn)品通?！跋蛳录嫒荨?/p>

——新型號的處理器在舊型號處理器指令系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行擴充。關(guān)于CPU的兼容性不同公司生產(chǎn)不同的CPU產(chǎn)品：Intel公司：Pentium系列、賽揚系列、至強等AMD公司：獨龍、閃龍、炫龍等IBM公司：Power5、Power6等（蘋果的Macintosh使用）SUN公司：UltraSPARC處理器HP公司：PA-RISC、Itanium處理器同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：A計算機（使用新型號CPU）的程序不能在B計算機（使用老型號CPU）上運行，B計算機的程序卻能在A計算機上運行互相兼容IntelPC機微處理器指令系統(tǒng)的發(fā)展：比80386增加了用于處理浮點數(shù)的80多條指令比Pentium增加了50多條多媒體擴展指令（MMX）在PentiumⅢSSE和MMX指令基礎(chǔ)上增加了144條指令（SSE2）比PentiumⅡ增加了70條單指令多數(shù)據(jù)指令（SSE）奔騰D、奔騰至尊、酷睿2等又增加了13條SSE3指令I(lǐng)ntel8086→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPro→PentiumⅡ→PentiumⅢ→Pentium4→奔騰D→奔騰至尊→酷?！犷?Pentium4處理器的邏輯結(jié)構(gòu)

指令譯碼器整數(shù)寄存器組L2cache(48GB/s)

L1數(shù)據(jù)cache(8KB)

浮點寄存器組慢ALU復(fù)雜指令2xALU簡單指令2xALU簡單指令2xAGU存地址浮點存浮點取2xAGU取地址MMXSSE/SSE2浮點加浮點乘浮點除跟蹤cache分支預(yù)測器執(zhí)行跟蹤cache(12000微操作)微碼ROM微操作隊列微操作隊列指令預(yù)取部件動態(tài)分支預(yù)測器前端總線256位，時鐘頻率64位,時鐘頻率總線接口部件預(yù)取控制邏輯總線接口運算器寄存器組控制器Pentium4處理器的芯片布局L1數(shù)據(jù)cacheL2cacheTracecache(L1指令cache)浮點運算器MMX超級流水線技術(shù)前端總線及其接口定點運算器高級動態(tài)執(zhí)行2.2.3CPU的性能指標(biāo)如何衡量CPU的性能？計算機的性能主要表現(xiàn)在程序執(zhí)行速度的快慢，它由許多因素決定，例如CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡等，但通常CPU是主要因素。CPU性能高低的主要指標(biāo)是CPU的速度，有2種衡量方法：1、計算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目(單位：MIPS、MFLOPS)2、使用常用軟件（辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和3D游戲等）的運行速度來衡量CPU的性能影響CPU性能的主要因素(之一)CPU的字長，CPU一次能同時進行二進制整數(shù)運算的位數(shù)。目前PC使用的CPU大多是32位處理器，新一代的PC機將使用64位處理器主頻（CPU時鐘頻率）CPU中電子線路的工作頻率，決定CPU芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸與操作速度的快慢。影響CPU性能的主要因素(之一)CPU總線（前端總線）的速度CPU總線的工作頻率和數(shù)據(jù)線寬度、速度決定了CPU與內(nèi)存間數(shù)據(jù)傳輸速度的快慢高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu)盡量減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)cache容量越大、級數(shù)越多，其效用就越顯著影響CPU性能的主要因素(之二)CPU的指令系統(tǒng)指令的格式和功能會影響程序的執(zhí)行速度CPU的邏輯結(jié)構(gòu)CPU包含的定點運算器和浮點運算器數(shù)目是否流水線結(jié)構(gòu)，流水線的條數(shù)和級數(shù)有無指令預(yù)測和數(shù)據(jù)預(yù)測功能是否多核，有幾個內(nèi)核······InstructionsResultsaresequenced1.指令排隊等候進入CPU處理1、并行處理提高計算機速度的有效途經(jīng)——3.每個CPU負(fù)責(zé)完成分配給它的指令2.哪一個CPU空閑，就把等候的指令交給它執(zhí)行(包含3個內(nèi)核)2、Pentium4的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)運算器

采用超標(biāo)量（superscalar）結(jié)構(gòu)，一共包含9個ALU，均可同時工作：2個高速整數(shù)ALU(每個時鐘周期進行2次操作)，用于完成簡單的整數(shù)運算(如加、減法)1個慢速整數(shù)ALU(需要多個時鐘周期才能完成1次操作)，用于完成整數(shù)乘、除法運算2個地址生成部件（AGU），用于計算操作數(shù)的有效地址，所生成的地址分別用于從內(nèi)存取操作數(shù)或向內(nèi)存保存操作結(jié)果1個ALU用于完成浮點操作數(shù)地址的計算1個ALU用于完成浮點加法、乘法和除法運算1個ALU用于執(zhí)行流式的SIMD處理（SSE/SSE2/SSE3指令）1個ALU用于完成多媒體信號處理（MMX指令）整數(shù)寄存器組

L1數(shù)據(jù)cache(8KB)

浮點寄存器組慢ALU復(fù)雜指令2xALU2xALU簡單指令2xAGU存地址浮點存浮點取2xAGU取地址MMXSSESSE2SSE3浮點加、減、乘、除等運算簡單指令TT0T1T2T3T4T5T6T7T8T9I6I5I4I33、指令的流水線執(zhí)行指令1(I1)指令2(I2)···指令3(I3)I2指令的順序執(zhí)行：I1指令的流水線執(zhí)行：Pentium4的流水線分成20級，每一級的操作都很簡單,執(zhí)行速度極快，因而允許時鐘頻率高達1GHz以上超流水線(Hyper-pipeline)技術(shù)Pentium4有多條超流水線，每條流水線的級數(shù)均很長，定點運算達20級，浮點運算達到29級，處于執(zhí)行狀態(tài)的指令數(shù)最多可達到126條整數(shù)寄存器組浮點數(shù)寄存器組超級流水線中每步操作都非常簡單，因此主頻可以顯著提高取指階段譯碼階段執(zhí)行階段保存結(jié)果,修改IPPentium4的20級超流水線結(jié)構(gòu)的示意圖：指令流水線的效果AddAddAddAddAddDivSubMulAddSubAddCPU流水線會阻塞嗎？如何確保指令流水線通暢？運算結(jié)果LOADR1,BLOADR2,CLOADR3,DADDR2,R1LOADR4,ESTORER2,ASUBR4,R3調(diào)整后:LOADR1,BLOADR2,CADDR2,R1STORER2,ALOADR3,DLOADR4,ESUBR4,R3例:a=b+c;e=e-d;假設(shè)a,b,c,d,e分別存儲在地址為A,B,C,D,E的單元中4、指令預(yù)取和分支預(yù)測為了使流水線不中斷，指令預(yù)取部件用于完成指令地址的計算，并從指令cache中讀取指令（一次64位），它還通過動態(tài)分支預(yù)測器對即將執(zhí)行的指令提前進行預(yù)取，如果預(yù)測發(fā)生錯誤，那么流水線就會中斷，CPU的速度將會受到影響。

指令cache及指令預(yù)取部件動態(tài)分支預(yù)測器指令譯碼器跟蹤cache分支預(yù)測器執(zhí)行跟蹤cache(12000微操作)微碼ROM控制整數(shù)ALU的微操作隊列控制浮點ALU的微操作隊列5、MMX/SSE/SSE2/SSE3指令所謂SSE指令，其特點是1條指令可處理128位的數(shù)據(jù)，它可以是下列情況之一：

4個單精度浮點數(shù)(各32位) 2個雙精度浮點數(shù)(各64位)16個8位整數(shù) 8個16位整數(shù)

4個32位整數(shù) 2個64位整數(shù)1個128整數(shù)由于一條指令可以處理若干個整數(shù)或浮點數(shù)，因而大大提高了計算速度，這種做法稱為單指令多數(shù)據(jù)技術(shù)（single-instruction,multiple-data，簡稱SIMD）SSE/SSE2/SSE3指令在完成3D圖形、語音識別、圖像處理等多媒體應(yīng)用的時候非常有效6、超線程(Hyper-Threading,HT)技術(shù)背景：實際應(yīng)用中CPU的執(zhí)行單元沒有被充分使用，性能未得到充分發(fā)揮超線程(HT)技術(shù)：把硬件模擬成兩個處理器芯片，從OS來看就像有兩個CPU一樣，可同時執(zhí)行多線程，在同一時間里，應(yīng)用程序可以使用芯片的不同部分。P4處理器增加了一個邏輯CPU指針，而整數(shù)運算單元、浮點運算單元、L2Cache等均由線程共享處理器有兩種運行模式：SingleTaskMode（單任務(wù)模式）：系統(tǒng)只有1個邏輯處理器MultiTaskMode（多任務(wù)模式）：系統(tǒng)有2個邏輯處理器分析：由于不是2個真正的CPU，它們需要共享ALU、cache等資源，當(dāng)兩個線程同時需要使用某個資源時，一個線程必須暫停運行，直到該資源空閑后才能繼續(xù)執(zhí)行。因此超線程的性能達不到2個物理CPU的性能超線程技術(shù)需要芯片組、OS和應(yīng)用軟件支持，才能發(fā)揮該項技術(shù)的優(yōu)勢，Windows2000就不支持雙線程當(dāng)運行單線程應(yīng)用軟件時，超線程技術(shù)甚至?xí)档拖到y(tǒng)性能雙核處理器出現(xiàn)的背景提高主頻來提升處理器性能的瓶頸是散熱問題：3.2GHz的Pentium

4處理器功率超過100W，內(nèi)核溫度達攝氏70度提升到4.0GHz時功率會達到150W，散熱問題更難處理超線程技術(shù)雖然可以提高執(zhí)行部件的使用效率，但有一定開銷，對于單線程的軟件反而降低了效率集成電路制造及封裝技術(shù)的進步，有能力把2個甚至更多個處理器做在1個芯片內(nèi)7、雙核處理器1個芯片中有兩個功能相同的處理器(內(nèi)核)，在操作系統(tǒng)看來，系統(tǒng)中有2個CPU

2個內(nèi)核可以各有自己的L2cache，但必須保正其中的信息完全一致，否則就會出現(xiàn)運算錯誤(由955X芯片組中北橋芯片負(fù)責(zé))，也可以共享同一個L2cache