计算机组成原理--中央处理器CPU1.ppt

1、1,第五章 中央处理器,2,学习目的和要求 1.掌握CPU的功能和组成方式 2.掌握指令周期的概念和时序发生器的工作原理 3.掌握组合逻辑控制器和微程序控制器的工作原理和设计方法 4.深入了解计算机中一条指令的完整执行过程 *5.设计一个具有确定指令集的CPU,3,概论： （1） CPU的概念 （2）CPU的历史 （3）CPU的设计(运算器、控制器) （4） CPU的制造和封装 （5） CPU的性能,4,CPU的概念 CPU的英文全称是Central Processing Unit，即中央处理器。CPU从雏形出现到发展壮大的今天，由于制造技术的越来越先进，其集成度越来越高，内部的晶体管数达到几

2、百万个。 虽然从最初的CPU发展到现在其晶体管数增加了几十倍，但是CPU的内部结构仍然可分为控制单元，逻辑单元和存储单元三大部分。,5,CPU的历史 在1946年电脑产生时，就有CPU，而我们关注的是微型计算机CPU的发展； 可以说Intel公司的历史就是一部微型计算机CPU的发展史，下面以Intel为例简单说一下CPU的历史。 1971年。世界上第一块微处理器4004在Intel公司诞生了。它出现的意义是划时代的，比起现在的CPU，4004显得很非常落后，它只有2300个晶体管，功能相当有限，而且速度还很慢。 1978年，Intel公司首次生产出16位的微处理器命名为i8086，同时还生产出

3、与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集。 由于这些指令集应用于i8086和i8087，所以人们也这些指令集统一称之为X86指令集。这就是X86指令集的来历。,6,1979年，Intel公司推出了8088芯片，它是第一块成功用于个人电脑的CPU。它仍旧是属于16位微处理器，内含29000个晶体管，时钟频率为4.77MHz，地址总线为20位，寻址范围仅仅是1MB内存。8088内部数据总线都是16位，外部数据总线是8位，而它的同系列的8086是16位，这样做只是为了方便计算机制造商设计主板。 1981年8088芯片首次用于IBM PC机中，开创了全新的微机时代。 1982

4、年，Intel推出80286芯片，它比8086和8088都有了飞跃的发展，虽然它仍旧是16位结构，但在CPU的内部集成了13.4万个晶体管，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位，可寻址16MB内存。80286也是应用比较广泛的一块CPU。,7,1985年Intel推出了80386芯片，它X86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步。80386内部内含27.5万个晶体管，时钟频率从12.5MHz发展到33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存，可以使用Windows操作

5、系统了。 1989年，Intel推出80486芯片，它的特殊意义在于这块芯片首次突破了100万个晶体管的界限，集成了120万个晶体管。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，并且在80X86系列中首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线（Burst）方式，大大提高了与内存的数据交换速度。,8,CPU的制造 CPU发展至今已经有二十多年的历史，其中制造CPU的工艺技术也经过了长足的发展。CPU简要制造过程： 第一步，取出一张利用激光器刚刚从硅柱上切割下来的硅片，它的直径越大可以切割的CPU就越多，

6、生产成本就越低，现在工艺先进的半导体加工厂已经把晶圆的直径提高到了12英寸。 接着就是硅片镀膜了，在硅片表面增加一层由二氧化硅(SiO2)构成的绝缘层，随后就是镀胶，光刻掩膜，之后对半导体硅进行掺杂工艺，因为纯硅里只有掺入杂质才能变成半导体。最后布上金属配线，再把完工的晶体管接入自动测试设备中，在通过所有的测试后必须将其封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。,9,CPU的封装 在通过了几次严格的测试以后，已经置备出各种电路结构的硅片就可以送封装厂进行切割，划分成单个处理器的die并置入到封装中。封装可不仅仅是件漂亮的外衣。由于有封装的保护，处理器核心与空气隔离可

7、以避免污染物的侵害。除此以外，良好的封装设计还有助于芯片散热。同时，它是连接处理器和主板的桥梁。 封装技术也在不断发展，目前最常见的是PGA(PinGrid Array，针栅阵列)封装，通常这种封装是正方形的，在中央区周围均匀的分布着三四排甚至更多排引脚，引脚能插入主板CPU插座上对应的插孔。随着CPU总线宽度增加、功能增强，CPU的引脚数目也不断增多，同时对散热、电气特性也有更高的要求，演化出了SPGA(Staggered PinGrid Array，交错针栅阵列)，PPGA(Plastic PinGrid Array，塑料针栅阵列)。,10,表面针脚封装形式来看主要分为两大类一种是传统针脚

8、式的Socket类型，另一种是插卡式的Slot类型： Socket 7 PC机从386开始普遍采用Socket插座来安装CPU，从Socket 4、Socket 5一直延续到现在最为普及的Socket 7 有296针； Super 7应该算是Socket 7系列的升级版本。一般采用MVP3、Aladdin 等非Intel芯片组，与Socket 7相比主要有两点改进将总线频率提高到100MHz（最高到133MHz）以上，提供了AGP插槽，可以使用AGP显卡。兼容Socket 7所支持的所有CPU，目前主要与AMD的K6-2、K6-3配合，构成价廉物美的高性价比PC 。 Slot 1是一个狭长的2

9、42引脚的插槽，与采用SEC（单边接触）封装技术制造的Pentium 处理器紧密吻合，支持100MHz以上外频而设计的，并对AGP技术提供了完善的支持。CPU有Intel的P、P 、Celeron及Celeron A系列CPU。,11,Slot 2与Slot 1基本类似，是应用于高端服务器的一种接口，在Intel 440GX或440NX芯片组的配合下与Intel的高端产品Xeon处理器配合 AMD K7所用的Slot接口被称为“Slot A”，从外观上看，Slot A接口与Intel的Slot 1接口完全相同，但两者在电气性能上完全不兼容，为K7所设计的芯片组或主板将不能使用Intel的CPU

10、。 Socket 370系列通过转换卡，Socket 370 CPU也可以安装在具有Slot 1插槽的主板上。,12,CPU主要的性能指标有以下几点： 第一：主频，也就是CPU的时钟频率，简单地说也就是CPU的工作频率。一般说来，一个时钟周期完成的指令数是固定的，所以主频越高，CPU的速度也就越快了。不过由于各种CPU的内部结构也不尽相同，所以并不能完全用主频来概括CPU的性能。至于外频就是系统总线的工作频率；而倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。用公式表示就是：主频=外频倍频。 第二：内存总线速度或者叫系统总路线速度，一般等同于CPU的外频。内存总线的速度对整个系统性能来说很重要，由于内存

11、速度的发展滞后于CPU的发展速度，为了缓解内存带来的瓶颈，所以出现了二级缓存，来协调两者之间的差异，而内存总线速度就是指CPU与二级(L2)高速缓存和内存之间的工作频率。,13,第三：工作电压。工作电压指的也就是CPU正常工作所需的电压。早期CPU（386、486）由于工艺落后，它们的工作电压一般为5V（奔腾等是3.5V/3.3V/2.8V等），随着CPU的制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压有逐步下降的趋势，Intel最新出品的Coppermine已经采用1.6V的工作电压了。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。这对于笔记本电脑尤其重要。 第四：协处理器或者叫数学协处理器。在486以前的

12、CPU里面，是没有内置协处理器的。由于协处理器主要的功能就是负责浮点运算，因此386、286、8088等等微机CPU的浮点运算性能都相当落后，自从486以后，CPU一般都内置了协处理器，协处理器的功能也不再局限于增强浮点运算。（续）,14,（续）现在CPU的浮点单元（协处理器）往往对多媒体指令进行了优化。比如Intel的MMX技术，MMX是“多媒体扩展指令集”的缩写。MMX是Intel公司在1996年为增强Pentium CPU在音像、图形和通信应用方面而采取的新技术。为CPU新增加57条MMX指令，把处理多媒体的能力提高了60左右。（注：现在“铜矿”P还有MMX2技术，将来还会有三代、四代M

13、MX技术，名称可能不同，意思是一样的） 第五：流水线技术、超标量。流水线(pipeline)是 Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由56个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成56步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高了CPU的运算速度。超流水线是指某型 CPU内部的流水线超过通常的56步以上， （续）,15,（续）例如Pentium pro的流水线就长达14步。将流水线设计的步(级)数越多，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。超标量是指

14、在一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。这在486或者以前的CPU上是很难想象的，只有Pentium级以上CPU才具有这种超标量结构；这是因为现代的CPU越来越多的采用了RISC技术，所以才会超标量的CPU。 第六：乱序执行和分枝预测，乱序执行是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。分枝是指程序运行时需要改变的节点。分枝有无条件分枝和有条件分枝，其中无条件分枝只需要CPU按指令顺序执行，而条件分枝则必须根据处理结果再决定程序运行方向是否改变，因此需要“分枝预测”技术处理的是条件分枝。,16,第七：L1高速缓存，也就是一级高速缓存。在CPU里面内

15、置了高速缓存可以提高CPU的运行效率。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。采用回写(Write Back)结构的高速缓存。它对读和写操作均有可提供缓存。而采用写通(Write-through)结构的高速缓存，仅对读操作有效。在486以上的计算机中基本采用了回写式高速缓存。 第八：L2高速缓存，指CPU外部的高速缓存。Pentium Pro处理器的L2和CPU运行在相同频率下的，但成本昂贵，所以Pentium II运行在相当于CPU频率一半下的，容量为512K。为降低成本

16、，Intel公司曾生产了一种不带L2的CPU名为赛扬。现在铜矿及新赛扬的L2缓存与CPU同频，所以高端1G以上的芯片中Intel暂时领先于L2只有主频一半或三分之一的AMD的K7）。,17,第九：制造工艺， Pentium CPU的制造工艺是0.35微米， PII和赛扬可以达到0.25微米，最新的CPU制造工艺可以达到0.18微米，并且将采用铜配线技术，可以极大地提高CPU的集成度和工作频率。,18,下面是各CPU的性能参数,19,5.1 CPU的基本功能及组成,一、CPU的基本功能 基本功能是针对扩展功能而言。 了解一下编程以及执行程序的过程。,20,从CPU有四个基本功能： 1.指令控制-

17、控制指令的执行顺序，可以通过顺序寻址和跳跃寻址来实现。 2.操作控制-对指令的各个操作步骤进行控制，按程序的顺序从内存取出一条指令，完成该指令功能需要的一系列的操作控制信号，并把这些操作控制信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行操作（如打开/关闭三态门、发送加/减的电平信号）,21,3.时间控制-对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。各种指令的操作信号均受到时间的严格控制；一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。 4.数据加工-对数据进行算术运算和逻辑运算的处理。例如要解一元二次方程，得到x1,x2的过程就是数据加工的结果。,22,二、CPU的构成 CPU由运算器和控制器构

18、成。 运算器(Arithmetic Unit)是计算机对各种数据和信息进行算术和逻辑运算的部件； 控制器(Control Unit)是统一指挥和控制计算机各个部件按时序协调操作的中心部件。 在大型机上，这两部分是分离的；而在小型和微型机上，这两部分集成在一块芯片上。,23,24,25,26,27,1.运算器 是计算机中用来实现数据加工处理的部件，相对于控制器而言，运算器受控制器的指挥而进行动作，因而它是执行部件； 它的主要部件有：ALU,通用寄存器组GRS,程序状态字PSW,锁存器LA和LB,移位器SHIFT ，总线BUS;,28,(1)ALU: ALU的功能是算术/逻辑运算，当某些指令需要A

19、LU参与操作，则这些需求必定由“指令译码器”得到，然后通知“微操作信号发生器”(见前面的图)发出微命令使ALU参与工作。 ALU的逻辑电路图见前面所学的运算器的设计。,29,(2)GRS(通用寄存器组) 要完成算术/逻辑运算，还必须有一些寄存器作为数据临时保存的部件单元。大量的通用寄存器用于存放运算的中间结果，可以减少访问内存的次数，达到提高机器运算速度的目的。 例如: RISC机器上用R0,R1,.,R15共16个寄存器，而Intel芯片有AX,BX,CX,DX等等。,30,(3)程序状态字寄存器PSW 记录每条指令执行后的结果的特征，例如 执行后结果是否溢出；如果溢出，则设置PSW寄存器对

20、应的溢出位=1；如果没有溢出，则设置PSW寄存器对应的溢出位=0； 执行后结果是否有进位；如果有进位，则设置PSW寄存器对应的有进位位=1；如果没有进位，则设置PSW寄存器对应的有进位位=0；,31,例如，在Intel的CPU中的标志寄存器就是起状态字的作用： 溢出标志OF；方向标志DF；中断允许标志IF；追踪标志TF；符号标志SF；零标志ZF；辅助进位标志AF；奇偶标志PF；进位标志CF； 在DEBUG中，如 NV表示未溢出， OV表示溢出； UP表示方向为增，DN表示方向为减； EI表示启用中断， DI表示禁用中断； PL表示为正数， NG表示为负数； NZ表示非0， ZR表示为0； NA

21、表示无辅助进位，AC表示有辅助进位； PO表示奇校验，PE表示偶校验； NC表示无进位，CY表示有进位，对应标志寄存器的0位置1；,32,(4) 锁存器LA和LB： 在有的CPU的运算器中有LA和LB，其作用是起临时保存ALU的两个输入端的数据的作用； (5) 移位器SHIFT 可以实现某些具有移位作用的机器指令的功能；如 乘法和除法的电路中需要移位，则需要用到移位器,33,(6)总线BUS 总线有地址总线、数据总线、控制总线等；这些相当于各部件之间交流的“高速公路”，有内部总线和外部总线；CPU要和主存、外设交换数据一定要通过总线才能进行通信。,34,2.控制器 控制器是计算机的总控中心，它能产生各种控制信号，使计算机各部件按指令的要求工作，它能按指令的执行次序，从存储器中取出指令，按指令所定义的功能，用硬件（数字电路）产生一系列的微操作信号，控制运算器内各个部件的协调工作，共同完成指令所要求的功能。 控制器的主要部件有程序计数器(PC)，指令寄存器(IR)，指令译码器(ID),时序部件，微操作信号发生器和中断机构等。,35,（1）程序计数器(PC或IP) 程序计数器又称指令计数器，用于存放当前即将要执行的指令的地址。程序刚启动时，可通过控制台指令把要执行的程序的第一条指令地址送给PC(或IP)，此时