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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,2.2.1 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,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
4、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 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
5、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CPU往往有数以百计的不同的指令,2.2.3 CPU的性能指标,如何衡量CPU的性能？,计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，它由许多因素决定，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
6、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 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 ,双核处理器出现的背景,提高主频来提升处理器性能的瓶颈是散热问题： 3.2GHz 的Pentium4处理器功率超过100W，内核温度达摄氏70度 提升到4.0GHz时功率会达到150W，散热问题更难处理 超线程技术虽然可以提高执行部件的使用效率，但有一定开销，对于单线程的软件反而降低了效率 集成电路制造及封装技术的进步，有能力把2个甚至更多个处理器做在1个芯片内,
