第2章22 CPU的逻辑结构与原理

1、2.2 CPU的逻辑结构与工作原理,2.2.1 CPU的逻辑结构 2.2.2 指令与指令系统 2.2.3 CPU的性能指标,2.2.1 CPU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

2、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

3、作(处理)的数据或者数据所在位置,举例: 10 02 06,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,0 1 2 3 4 5 6 7,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

4、,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？ R1R3+R5 R1R1-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

5、 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

6、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 8038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pe

7、ntium III Pentium 4 奔腾D 奔腾至尊 酷睿 酷睿2 Core i3/ 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， Pentium II比Pentium增加了50多条处理多媒体信息的指令（Multimedia Extension，称为MMX）， Pentium III比Pentium II增加了70条处理128位长操作数的流式单指令多数据指令(Streaming SIMD Extention,SSE) Pentium 4

8、又比Pentium III 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 Core i5和Core i7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：Ultra SPARC处理器 英国ARM公司： ARM 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,2.2.3

9、 CPU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 4 Processor 42 million transistors，0.18 microns 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） 802868038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium

10、 4 ,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大多以常用软件(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

11、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,

12、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Pentium D处理器,共享的L2 cache,单个IC封装有2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L2 cache，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L3 cache（Core i7）,Pipelining and Parallel Processing,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， “线程”可以理解为程序中可独