第2章2[1].2CPU的逻辑结构与原理

2.2CPU的逻辑结构与工作原理2.2.1CPU的逻辑结构2.2.2指令与指令系统2.2.3CPU的性能指标22.2CPU的逻辑结构与原理2.2.1CPU的逻辑结构32.2CPU的逻辑结构与原理冯·诺依曼计算机的结构与原理(1)计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；(2)程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3)存储器中存放的指令和数据按地址进行存取；(4)指令是由CPU一条一条顺序执行的。中央处理器运算器和控制器输入设备输出设备存储器42.2CPU的逻辑结构与原理“存储程序控制”原理将问题的解算步骤编制成为程序，程序连同它所处理的数据都用二进位表示并预先存放在存储器中程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据④将指令的运算处理结果送回内存保存⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存外存储器内存储器CPU①任务启动时，执行该任务的程序和数据从外存成批传送到内存指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据③CPU逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理52.2CPU的逻辑结构与原理存储器中央处理器存储数据和指令执行指令处理数据指令，数据处理结果CPU的任务CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作62.2CPU的逻辑结构与原理指令是什么？指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成：操作码操作数地址指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除、取数、存数等指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置举例:100206把02存储单元和06存储单元中的内容相加，和数保存在02单元72.2CPU的逻辑结构与原理CPU的结构和任务CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作寄存器组运算器中央处理器指令计数器指令寄存器控制器数据程序指令1指令2指令k指令n数据1数据2数据m数据内存储器指令指令地址操作数地址存放待执行指令的地址已经启动运行的程序和数据存放待执行的指令并进行译码完成规定的运算暂存等待处理的数据操作命令82.2CPU的逻辑结构与原理~~~~内存储器AC927BALU01234567运算器(ALU)与通用寄存器(GPR)运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件(ALU)，参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器GPR，运算结果也送回GPRSTORER1内存地址C例3：存数指令9例2：加法指令ADDR1R3R5(3＃寄存器内容与5＃寄存器内容相加，并把和数写入1＃寄存器)例1:取数指令LOADR3内存地址ALOADR5内存地址B27362793636通用寄存器GPR92.2CPU的逻辑结构与原理2.2.2指令与指令系统instructionsetsoftwarehardware102.2CPU的逻辑结构与原理指令及其格式指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成：操作码操作数地址指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除等指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置指令的格式：操作码用几位表示？(多少种不同的操作功能)操作数地址是2个还是3个？R1R3+R5R1R1-R3如何指出内存地址？(寻址方式)指令长度是多少位，固定长度/可变长度？ADDR1R3R5SUBR1R3112.2CPU的逻辑结构与原理1.操作码用几位表示？(有多少种不同的操作功能，采用不同的二进制数)如：加减2种功能，可采用一位——0，1；加减乘除4种功能，可采用2位——00，01，10，11；依此类推操作数地址是2个还是3个？从0个地址到3个地址都有零地址指令，如NOP,CLR一地址指令，如INRR1二地址指令，如ADDR1,R2三地址指令，如ADDR1,R2,R3如何指出内存地址？(寻址方式)隐含方式，立即方式，寄存器方式，直接寻址，间接寻址，相对寻址，变址和基址寻址，复合寻址指令长度是多少位，固定长度/可变长度？16，32，64….122.2CPU的逻辑结构与原理指令在计算机中的执行过程1.取指令：CPU的控制器从存储器读取一条指令并放2.指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里3.执行指令3.1取操作数3.2进行运算4.修改指令计数器，决定下一条指令的地址1取指令4修改指令计数器3执行指令2指令译码指令执行周期问题：CPU的时钟频率(主频)与指令执行速度是什么关系？132.2CPU的逻辑结构与原理指令执行过程的模拟模拟程序1（flash动画，单步）模拟程序2（flash动画，自动）142.2CPU的逻辑结构与原理关于指令系统CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，即它的机器语言指令应该简单，简单才能提高速度!1.操作功能要简单，不宜太多、太复杂2.指令的格式要统一：固定长度、统一分段3.操作数的来源要有限制：算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器LOAD/STORE指令的操作数来自(或送到)内存寄存器内存内存寄存器Intel奔腾处理器的指令系统由于历史的原因，并不符合上述原则！152.2CPU的逻辑结构与原理关于指令的操作功能指令系统中的指令分成许多类，例如奔腾4处理器中共有七大类指令：数据传送类■算术运算类逻辑运算类■移位操作类位(位串)操作类■控制转移类输入/输出类等每一类指令（如数据传送类、算术运算类）又按照操作数的性质（如整数还是实数）、长度（16位、32位、64位、128位等）而区分为许多不同的指令，因此CPU往往有数以百计的不同的指令162.2CPU的逻辑结构与原理关于奔腾4系列的指令系统产品发展过程为：8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPRO→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→奔腾D→奔腾至尊→酷睿→酷睿2为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”开发新的处理器，即所有新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。例如：Pentium比80386增加了的80多条浮点指令，PentiumII比Pentium增加了50多条处理多媒体信息的指令（MultimediaExtension，称为MMX），PentiumIII比PentiumII增加了70条处理128位长操作数的流式单指令多数据指令(StreamingSIMDExtention,SSE)Pentium4又比PentiumIII增加了144条指令（称为SSE2）奔腾D、奔腾至尊、酷睿2等又增加了13条SSE3指令172.2CPU的逻辑结构与原理关于CPU的兼容性不同公司生产不同的CPU产品：Intel公司：Pentium系列、赛扬系列、至强等AMD公司：独龙、闪龙、炫龙等IBM公司：Power5、Power6等（苹果的Macintosh使用）SUN公司：UltraSPARC处理器HP公司：PA-RISC、Itanium处理器同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：A计算机（使用新型号CPU）的程序不能在B计算机（使用老型号CPU）上运行，B计算机的程序却能在A计算机上运行不同公司的不同CPU产品其指令系统不同，它们互相不兼容：A计算机的程序不能在B计算机上直接运行，B计算机的程序也不能在A计算机上直接运行互相兼容182.2CPU的逻辑结构与原理2.2.3CPU的性能指标192.2CPU的逻辑结构与原理如何衡量CPU的性能？计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，它由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡等，但通常CPU是主要因素CPU性能高低的主要指标是CPU的速度，有2种衡量方法：1.计算每秒钟可执行的指令数目（单位：MIPS、MFLOPS）2.使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等）的运行速度来衡量CPU的性能202.2CPU的逻辑结构与原理影响CPU性能的主要因素(之一)CPU的字长（位数）目前PC使用的CPU大多是32位处理器，新一代的PC机将使用64位处理器主频（CPU时钟频率）主频提高，CPU的处理速度通常也会加快CPU总线（前端总线）的速度CPU总线速度决定了CPU与内存间数据传输速度的快慢高速缓存（cache）的容量与结构cache容量越大、级数越多，其效用就越显著212.2CPU的逻辑结构与原理影响CPU性能的主要因素(之二)CPU的指令系统指令的格式和功能会影响程序的执行速度CPU的逻辑结构CPU包含的定点运算器和浮点运算器数目是否流水线结构，流水线的条数和级数有无指令预测和数据预测功能是否具有数字信号处理功能是否多核，有几个内核······222.2CPU的逻辑结构与原理PipeliningandParallelProcessingInstructionsResultsaresequenced1.指令排队等候进入CPU处理并行处理提高计算机速度的有效途经3.每个CPU负责完成分配给它的指令2.哪一个CPU空闲，就把等候的指令交给它执行(包含3个内核)232.2CPU的逻辑结构与原理Intel微处理器主要技术参数比较处理器主要参数8086802868038680486奔腾高能奔腾奔腾Ⅱ奔腾Ⅲ奔腾4酷睿2(双核)酷睿2(四核)推出时间(年)19781982198519891993~19961995~19971997～19981999～20032000～2006～2007～主频(MHz)4.77～106～2016～3333～10060～200150～200233～333450～14001500～38001800～31602400～2830前端总线频率(MHz)4.77～106～2016～3325或3350或666666100或133400,533或800，1066800～13331066，1333外部数据线数目1616323264646464646464地址线数目2024323232363636363636L2cache容量无无无仅L1仅L10.25MB0.5MB0.5MB0.25～2MB2～6MB6～12MB内核数目11111111124晶体管数目(万)2.913.427.5120310550750950420029100～4100082000制造工艺(μm)21.51.5~1.01.0~0.80.8～0.350.6～0.350.35～0.250.25～0.130.13～0.090.065,0.0450.065,0.045芯片引脚数目,4068132168273或296387242370478或775775775242.2CPU的逻辑结构与原理附：Pentium4的逻辑结构•寄存器组与CPU字长•超标量结构ALU•流水线处理技术•SIMD技术•EM-64T•超线程技术•双核与多核技术252.2CPU的逻辑结构与原理Pentium4处理器的逻辑结构指令译码器整数寄存器组L2cache(48GB/s)L1数据cache(8KB)浮点寄存器组慢ALU复杂指令2xALU简单指令2xALU简单指令2xAGU存地址浮点存浮点取2xAGU取地址MMXSSE/SSE2浮点加浮点乘浮点除跟踪cache分支预测器执行跟踪cache(12000微操作)微码ROM微操作队列微操作队列指令预取部件动态分支预测器前端总线256位，时钟频率64位,时钟频率总线接口部件预取控制逻辑总线接口运算器寄存器组控制器262.2CPU的逻辑结构与原理Pentium4处理器的芯片布局L1数据cacheL2cacheTracecache(L1指令cache