CPU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 2 2 1CPU的逻辑结构 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 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 CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据 将指令的运算处理结果送回内存保存 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 CPU逐条执行指令 按指令要求完成对数据的运算和处理 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 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 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 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 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 ALU 01234567 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GPR 通用寄存器GPR 2 2 2指令与指令系统 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 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 R5R1 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 指令在计算机中的执行过程 取指令 CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器 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 操作数在哪里执行指令3 1取操作数3 2进行运算修改指令计数器 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 通常 每一步需要1个或几个时钟周期才能完成 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 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 操作功能要简单 不宜太多 太复杂指令的格式要统一 固定长度 统一分段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处理器的指令系统由于历史的原因 并不符合上述原则 关于指令的操作功能 指令系统中的指令分成许多类 例如Intel公司的奔腾和酷睿处理器中 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Intel公司CPU有数以百计的不同的指令 关于Intel公司CPU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 Corei3 i5 i7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Corei5和Corei7又增加了40多条SSE4指令 关于CPU的兼容性 不同公司生产不同的CPU产品 一般互不兼容 Intel公司 奔腾 赛扬 酷睿 灵动等AMD公司 独龙 闪龙 炫龙等IBM公司 Power5 6 7等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 2 2 3CPU的性能指标 CPU是一个超大规模集成电路 能高速执行指令 完成二进制数据的算术运算 逻辑运算等操作由数字电路组成 结构极复杂制作在大规模集成电路芯片上 仅几个平方厘米 称为 微处理器 microprocessor 2000 Intel Pentium 4Processor42milliontransistors 0 18microns工艺 Intel公司CPU芯片的发展变化 30多年来其主要产品的发展过程为 8088 8086 80286 80386 80486 Pentium PentiumPRO PentiumII PentiumIII Pentium4 如何衡量CPU的性能 计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢计算机性能由许多因素决定 例如CPU 内存 硬盘 显卡等 但通常CPU是主要因素CPU的性能高低主要表现为CPU的速度 有两种衡量方法 计算每秒钟可执行的指令数目 单位 MIPS MFLOPS 巨型计算机 几十万亿 几百万亿次基本运算 秒个人计算机 几千万 几亿次基本运算 秒 其中 基本运算指的是 四则运算和 等逻辑运算 PC大多使用常用软件 办公软件 数字媒体处理软件和3D游戏等 的运行速度来测试CPU的性能 例如 游戏性能测试程序 3DMark整体综合性能测试程序 PCMark 影响CPU性能的主要因素 字长 位数 指通用寄存器和定点运算器的宽度 即二进制整数运算的位数 指令系统指令的类型 数目和功能等都会影响程序的执行速度逻辑结构CPU包含的定点运算器和浮点运算器的数目 采用的流水线结构和级数 指令分支预测的机制 执行部件的数目等内核数目高速缓存 cache 的容量与结构主频 CPU内部时钟频率 指CPU芯片中电子线路 门 触发器 的工作频率 它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢CPU总线速率CPU总线 前端总线 传输速率 决定着CPU与内存之间传输数据的速度快慢 提高CPU性能的3大措施 提高主频 增加逻辑复杂度 增加内核数目 双核多核异构的多核 电路与封装技术的进步 能把多个处理器做在单个芯片上 1改进CPU结构 2提高IC速度 主频 3增加CPU 核 的数目 什么是双核 四核处理器 揭开外壳后的PentiumD处理器 共享的L2cache 单个封装包含两个功能完全相同的处理器 内核 进一步发展为2个内核做在同一晶片上 共享L2cache 提高性价比2个双核晶片封装在一起成为4核处理器4个 6个内核做在同一晶片上 共享L3cache Corei7 PipeliningandParallelProcessing 1 线程 排队等候进入CPU处理 并行处理 包含3个内核 为什么 多核 可提高计算机性能 注 不严格地说 这里可以把 线程 理解为程序中