CPU的逻辑结构与原理

2.2CPU的逻辑结构

与工作原理2.2.1CPU的结构

2.2.2指令与指令系统2.2.3CPU的性能指标2.2.1CPU的结构“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：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(1)寄存器组：由十几个甚至几十个寄存器组成，用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间（或最后）的结果（2）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)（3）控制器：CPU的指挥中心。指令计数器：存放CPU正在执行的指令的地址指令寄存器（IR）

指令译码器（ID）2.2.2指令与指令系统instructionsetsoftwarehardware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问题：CPU的时钟频率(主频)与指令执行速度是什么关系？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→Pentium

PRO→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。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2.2.3CPU的性能指标如何衡量CPU的性能？CPU性能高低的主要指标是CPU的速度，有2种衡量方法：计算每秒钟可执行的指令数目（单位：MIPS、MFLOPS）使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等）的执行速度来衡量CPU的性能影响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

CPU中定点运算器的宽度，也大体决定地址码的位数（决定了CPU可访问的存储器最大空间）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······小结：Pentium4提高速度的措施扩展CPU的字长：64位存储扩展提高CPU的主频：已经从1.5GHz逐步提高到3GHz以上，目前最高已经接近4GHz；加快CPU前端总线的数据传输速度：CPU总线宽度增加为64~128位CPU总线频率从400MHz、533MHz提高到800MHz和1066MHz因此，传输速率也相应地从3.2GB/s、4.3GB/s提高到6.4GB/s和8.6GB/s采用cache存储器增大cache容量：L2cache