第2章22cpu的邏輯結(jié)構(gòu)與原理

2.2CPU的邏輯結(jié)構(gòu)

與工作原理2.2.1

CPU的邏輯結(jié)構(gòu)

2.2.2指令與指令系統(tǒng)2.2.3

CPU的性能指標(biāo)2.2.1

CPU的邏輯結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計算機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理(1)計算機(jī)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(jī)理解和執(zhí)行的操作命令；(2)程序(指令)和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，均存放在存儲器中；(3)存儲器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進(jìn)行存取；(4)指令是由CPU一條一條順序執(zhí)行的。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“存儲程序控制”原理將問題的解算步驟編制成為程序，程序連同它所處理的數(shù)據(jù)都用二進(jìn)位表示并預(yù)先存放在存儲器中程序運行時，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止②CPU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)存指令1指令2指令k指令n程序數(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)的運算和處理存儲器中央處理器存儲數(shù)據(jù)和指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果CPU的任務(wù)CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作指令是什么？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(jìn)位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個部分組成：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)所在位置舉例:100206把02存儲單元和06存儲單元中的內(nèi)容相加，和數(shù)保存在02單元CPU的結(jié)構(gòu)和任務(wù)CPU主要由運算器、控制器和寄存器組3個部分組成CPU的任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作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(jìn)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~~~~內(nèi)存儲器AC927BALU01234567運算器(ALU)與通用寄存器(GPR)運算器用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)或邏輯運算，所以稱為算術(shù)邏輯部件(ALU)，參加ALU運算的操作數(shù)通常來自通用寄存器GPR，運算結(jié)果也送回GPRSTORER1內(nèi)存地址C例3：存數(shù)指令9例2：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)例1:取數(shù)指令LOADR3內(nèi)存地址ALOADR5內(nèi)存地址B27362793636通用寄存器GPR2.2.2指令與指令系統(tǒng)instructionsetsoftwarehardware指令及其格式指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下由兩個部分組成：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)所在位置指令的格式：操作碼用幾位表示？(多少種不同的操作功能)操作數(shù)地址是2個還是3個？R1R3+R5R1R1-R3

如何指出內(nèi)存地址？(尋址方式)指令長度是多少位，固定長度/可變長度？ADDR1R3R5SUBR1R3指令在計算機(jī)中的執(zhí)行過程取指令：CPU的控制器從存儲器讀取一條指令并放入指令寄存器指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作、操作數(shù)在哪里執(zhí)行指令3.1取操作數(shù)3.2進(jìn)行運算修改指令計數(shù)器，決定下一條指令的地址1取指令4修改指令計數(shù)器3執(zhí)行指令2指令譯碼指令執(zhí)行周期通常，每一步需要1個或幾個時鐘周期才能完成關(guān)于指令系統(tǒng)CPU可執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)，即它的機(jī)器語言指令應(yīng)該簡單，簡單才能提高速度!操作功能要簡單，不宜太多、太復(fù)雜指令的格式要統(tǒng)一：固定長度、統(tǒng)一分段操作數(shù)的來源要有限制：算術(shù)邏輯運算指令的操作數(shù)只能來自寄存器LOAD/STORE指令的操作數(shù)來自(或送到)內(nèi)存寄存器內(nèi)存內(nèi)存寄存器Intel處理器的指令系統(tǒng)由于歷史的原因，并不符合上述原則！關(guān)于Intel公司CPU的指令系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展過程為：8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPRO→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→奔騰D→奔騰至尊→酷?！犷?→Corei3/i5/i7

為解決軟件兼容性問題，采用“向下兼容方式”開發(fā)新的處理器，即所有新處理器均保留老處理器的全部指令，同時還擴(kuò)充功能更強(qiáng)的新指令。例如：Pentium比80386增加了的80多條浮點指令，PentiumII比Pentium增加了50多條處理多媒體信息的指令（MultimediaExtension，稱為MMX），PentiumIII比PentiumII增加了70條處理128位長操作數(shù)的流式單指令多數(shù)據(jù)指令(StreamingSIMDExtention,SSE)Pentium4又比PentiumIII增加了144條指令（稱為SSE2）奔騰D

、奔騰至尊、酷睿2等又增加了13條SSE3指令Corei5和Corei7又增加了40多條SSE4指令關(guān)于CPU的兼容性不同公司生產(chǎn)不同的CPU產(chǎn)品，一般互不兼容：Intel公司：奔騰、賽揚(yáng)、酷睿、靈動等AMD公司：獨龍、閃龍、炫龍等IBM公司：Power5、6、7等SUN公司：UltraSPARC處理器英國ARM公司：ARM處理器同一公司同一系列的CPU具有向下兼容性：A計算機(jī)（使用新型號CPU）的程序不能在B計算機(jī)（使用老型號CPU）上運行，B計算機(jī)的程序卻能在A計算機(jī)上運行互不兼容A計算機(jī)的程序不能在B上直接運行，B計算機(jī)的程序也不能在A上直接運行互相兼容2.2.3

CPU的性能指標(biāo)CPU是一個超大規(guī)模集成電路能高速執(zhí)行指令，完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯運算等操作由數(shù)字電路組成，結(jié)構(gòu)極復(fù)雜制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個平方厘米)，稱為“微處理器”(microprocessor)2000:Intel?Pentium?4Processor42milliontransistors，0.18microns工藝Intel公司CPU芯片的發(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(yáng)系列奔騰系列（過渡型）（經(jīng)濟(jì)型）凌動系列（上網(wǎng)本）酷睿系列(Core2、Corei3/i5/i7)（主流型）當(dāng)前產(chǎn)品如何衡量CPU的性能？計算機(jī)的性能主要表現(xiàn)為程序執(zhí)行速度的快慢計算機(jī)性能由許多因素決定，例如CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡等，但通常CPU是主要因素CPU的性能高低主要表現(xiàn)為CPU的速度，有兩種衡量方法：計算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目(單位：MIPS、MFLOPS)巨型計算機(jī)：幾十萬億～幾百萬億次基本運算/秒個人計算機(jī)：幾千萬～幾億次基本運算/秒（其中，基本運算指的是：四則運算和∧，∨等邏輯運算）PC大多以常用軟件(辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和3D游戲等)的運行速度來測試CPU的性能，例如：游戲性能測試程序:3DMark整體綜合性能測試程序:PCMark影響CPU性能的主要因素字長（位數(shù)）指通用寄存器和定點運算器的寬度（即二進(jìn)制整數(shù)運算的位數(shù)）指令系統(tǒng)指令的類型、數(shù)目和功能等都會影響程序的執(zhí)行速度邏輯結(jié)構(gòu)CPU包含的定點運算器和浮點運算器的數(shù)目、采用的流水線結(jié)構(gòu)和級數(shù)、指令分支預(yù)測的機(jī)制、執(zhí)行部件的數(shù)目等內(nèi)核數(shù)目高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu)主頻（CPU內(nèi)部時鐘頻率）指CPU芯片中電子線路（門、觸發(fā)器）的工作頻率，它決定著CPU芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸與操作速度的快慢CPU總線速率CPU總線（前端總線）傳輸速率：決定著CPU與內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的速度快慢體系結(jié)構(gòu)邏輯實現(xiàn)物理實現(xiàn)1980’1990’2005201020151980’1990’2005201020154核80x86Pentium

80核

雙核年代性能提高CPU性能的3大措施提高主頻增加邏輯復(fù)雜度增加內(nèi)核數(shù)目雙核多核異構(gòu)的多核處理器性能與其邏輯復(fù)雜性的平方根成正比，若邏輯復(fù)雜性提高1倍，至多能提高40%的性能最大瓶頸是散熱問題：

3.2GHz的Pentium

4功耗超過100W，溫度達(dá)70度！主頻到4.0GHz，功耗會達(dá)到150W！采用2個處理器構(gòu)成一個雙核處理器，可以提高70%～80%的性能電路與封裝技術(shù)的進(jìn)步，能把多個處理器做在單個芯片上1改進(jìn)CPU結(jié)構(gòu)；2提高IC速度(主頻)；3增加CPU(核)的數(shù)目什么是雙核/四核處理器？揭開外殼后的PentiumD處理器共享的L2cache2x奔騰雙核E5000處理器

單個IC封裝有2個功能完全相同的處理器(內(nèi)核)進(jìn)一步發(fā)展為2個內(nèi)核做在同一晶片上，共享L2cache，提高性價比2個雙核晶片封裝在一起成為4核處理器4個/