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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 2.2 CPU的逻辑结构与原理 2.2.1 CPU的逻辑结构 3 2.2 CPU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 4 2.2 CPU的逻辑结构与
2、原理 “存储程序控制” 原理 n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 n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 外存储器 内存储器 CPU 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 CPU逐条 执行指令,按 指令要求完 成对
3、数据的 运算和处理 5 2.2 CPU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 nCPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对 数据进行操作 6 2.2 CPU的逻辑结构与原理 指令是什么？ n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 n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: 10 02 06
4、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 7 2.2 CPU的逻辑结构与原理 CPU的结构和任务 nCPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成 nCPU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 8 2.2 CPU的逻辑结构与原理 内存储器 A C 9 2
5、7 B ALU 0 1 2 3 4 5 6 7 运算器(ALU)与通用寄存器 (GPR) n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 STORER1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A LOADR5内存地址B 27 36 27 9 36 36 通用寄存器GPR 9 2.2 CPU的逻辑结构与原理 2.2.2 指令与指令系统 instruction set s
6、oftware hardware 10 2.2 CPU的逻辑结构与原理 指令及其格式 n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 n指令的格式： n操作码用几位表示？(多少种不同的操作功能) n操作数地址是2个还是3个？ nR1R3+R5 nR1R1-R3 n如何指出内存地址？(寻址方式) n指令长度是多少位，固定长度/可变长度？ ADDR1R3R5 SUBR1R3 11 2.2 CPU的逻辑结构与原理 指令在计算机中的执行过程 n取指令：CPU的
7、控制器 从存储器读取一条指令 并放入指令寄存器 n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 n执行指令 3.1 取操作数 3.2 进行运算 n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 12 2.2 CPU的逻辑结构与原理 关于指令系统 nCPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统， 即它的机器语言 n指令应该简单，简单才能提高速度(RISC)! n操作功能要简单，不宜太多、太复杂 n指令的格式要统一：固定长度、统一分段 n操作数的来
8、源要有限制： n算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器 nLOAD/STORE指令的操作数来自(或送到)内 存 寄存器内存 内存寄存器 nARM处理器符合上述要求， Intel 处理器由于历 史的原因，并不符合上述原则！ 13 2.2 CPU的逻辑结构与原理 关于指令的操作功能 n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： n数据传送类 算术运算类 n逻辑运算类 移位操作类 n位(位串)操作类 控制转移类 n输入/输出类等 n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
9、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 14 2.2 CPU的逻辑结构与原理 关于Intel公司CPU的指令系统 n产品发展过程为：8088（8086）80286 8038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔腾D 奔腾至尊 酷睿 酷睿2 Core i3/ i5/ i7 n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： nPentium比80386增加了的80多条浮点指令， nPentium I
10、I比Pentium增加了50多条处理多媒体信息的指令（ Multimedia Extension，称为MMX）， nPentium 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) nPentium 4又比Pentium III 增加了144条指令（称为SSE2） n奔腾D 、奔腾至尊、酷睿2等又增加了13条SSE3指令 nCore i5和Core i7又增加了40多条SSE4指令 15 2.2 CPU的逻辑结构与原理 关于CPU的兼容性 n不同公司生产不同的CPU产品，一般互不兼容： nIntel
11、公司：奔腾、赛扬 、酷睿、灵动等 nAMD公司：独龙、闪龙、炫龙等 nIBM公司：Power5、6、7等 nSUN公司：Ultra SPARC处理器 n英国ARM公司： ARM 处理器 n同一公司同一系列的CPU具有向下兼容性： nA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 n平板电脑和智能手机与PC不兼容！ 互不兼容 A计算机的程序不能在B上 直接运行， B计算机的程 序也不能在A上直接运行 互相兼容 16 2.2 CPU的逻辑结构与原理 2.2.3 CPU的性能指标 17 2.2 CPU的逻辑结构与原理 CPU是一个
12、超大规模集成电路 n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 n由数字电路组成，结构极复 杂 n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 18 2.2 CPU的逻辑结构与原理 Intel公司CPU芯片的发展变化 n30多年来其主要产品的发展过程为： n8088（8086） 802868038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentiu
13、m III Pentium 4 奔腾系列 赛扬系列 （1星级CPU） （2星级CPU） 酷睿i3系列 （3星级CPU ） 酷睿i5系列 当前 产品 酷睿i7系列 （4星级CPU ） （5星级CPU ） 19 2.2 CPU的逻辑结构与原理 如何衡量CPU的性能？ n计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢 n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 nCPU的性能高低主要表现为CPU的速度，有两种衡量方法： n计算每秒钟可执行的指令数目(单位：MIPS、MFLOPS) n巨型计算机：xx千万亿xx万万亿次 基本运算/秒 n个人计算机：几千万几亿次 基本
14、运算/秒 （其中，基本运算指的是：四则运算和，等逻辑运 算） nPC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： n游戏性能测试程序: 3DMark n整体综合性能测试程序: PCMark 20 2.2 CPU的逻辑结构与原理 影响CPU性能的主要因素 n字长（位数） n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） n指令系统 n指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度 n逻辑结构 nCPU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 n高速缓存（cache）的容量与结构
15、 n主频（CPU内部时钟频率） n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 nCPU总线速率 nCPU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 n内核数目 体 系 结 构 逻 辑 实 现 物 理 实 现 21 2.2 CPU的逻辑结构与原理 1980 1990 2005 2010 20151980 1990 2005 2010 2015 4核 80 x86 Pentium 80核 双核 年代 性 能 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 处理器性能与其逻辑复杂 性的平方根成正比，若逻 辑复杂性提高1倍，至多 能提高40%的性能 最大瓶颈是散热问题： 3.2GHz 的Pentium 4功耗超过100W， 温度达70度！ 主频到4.0GHz，功耗会达到150W！ 采用2个处理器构成一 个双核处理器，可以 提高70%80%的性 能 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 22 2.2 CPU的逻辑结构与原理 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 2 x
