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1、2.2 CPU 的逻辑结构的逻辑结构 与工作原理与工作原理 2.2.1 CPU的逻辑结构的逻辑结构 2.2.2 指令与指令系统指令与指令系统 2.2.3 CPU的性能指标的性能指标 2.2.1 CPU 的逻辑结构的逻辑结构 2 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 冯冯诺依曼计算机的结构与原理诺依曼计算机的结构与原理 存储器存储器 中央中央 处理器处理器 输入设备输入设备 运算器和控制器运算器和控制器 输出设备输出设备 (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；算机理解和执行的操作命令； (2)
2、 程序程序(指令指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中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存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ； (4) 指令是由指令是由 CPU一条一条顺序执行的。一条一条顺序执行的。 3 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 “存储程序控制存储程序控制” 原理原理 ?将问题的解算步骤编制成为将问题的解算步骤编制成为 程序程序，程序连同它所处理的数，程序连同它所处理的数据都用据都用二进位表示二进位表示并预先并预先存放在存储器存放在存储器中中 ?程序运行时，程序运行时，CPU从内存中从内存中一条一条一条一条地取出
3、指令和相应的地取出指令和相应的数据，数据，按指令操作码的规定按指令操作码的规定 ，对数据进行运算处理，直到，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止程序执行完毕为止 任务启动时，执行任务启动时，执行该任务的程序和数据该任务的程序和数据从外存成批传送到内从外存成批传送到内存存 指令1 指令2 指令k 程程序序外存储器外存储器 任务完成后，将处任务完成后，将处理得到的全部结果成理得到的全部结果成批传送到外存以长久批传送到外存以长久保存保存 指令n 数据1 数据2 数据m 内内存存储储数数器器据据CPU从内存中逐条从内存中逐条读取该程序的指令及读取该程序的指令及相关的数据相关的数据 CPU CPU
4、逐逐 条条执执行行指指令令,按按指指 令令 要要 求求 完完成成 对对 数数 据据 的的运算和处理运算和处理 将指令的运算处理将指令的运算处理结果送回内存保存结果送回内存保存 4 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 CPU的任务的任务 ?CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作数据进行操作 存储数据存储数据 和指令和指令 执行指令执行指令 处理数据处理数据 存储器存储器 指令，数据指令，数据 中央中央 处理器处理器 处理结果处理结果 5 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 指令是什么？指令是什么？ ?指令就是命令，它用来规定指令就是命令，它用来
5、规定 CPU执行什么操作。指令是构执行什么操作。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，指令由两个部分组指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成：成： 操作码操作码 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 操操 作作 数数 地地 址址 指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置 举例举例: 10 02 06 把把02存储单元和存储单元和06存储单元中的内存储单元中的内容相加，和数保存在容相加，和数保存在 02单元单元 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 6 C
6、PU的结构和任务的结构和任务 ?CPU主要由运算器、控制器和寄存器组主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成个部分组成 ?CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作的任务：取指令并完成指令所规定的操作 已经启动运行已经启动运行的程序和数据的程序和数据 存放待执行存放待执行指令的地址指令的地址 指令指令1 指令指令2 存放待执行的存放待执行的指令并进行译指令并进行译码码 程程序序 指令地址指令地址 指指 令令 指令计数器指令计数器 指令寄存器指令寄存器 操作命令操作命令 指令指令k 控制器 中中央央处处理理器器内内存存据据储储器器 数数 指指令令n 数数据据1 数据数据2 数据数据m 操作数地
7、址操作数地址 数数 据据 寄寄存存器器组组 运运算算器器 暂存等待处暂存等待处理的数据理的数据 7 完成规定的运完成规定的运算算 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 运算器运算器(ALU)与通用寄存器与通用寄存器(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辑部件 (ALU)，参加，参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器运算的操作数通常来自通用寄存器GPR ，运算结果也送回，运算结果也送回 GPR 例例1:取数指令取数指令 LOAD LOAD R3 R5 内存地址内存地址A 内存地址内存地址B 通用寄存器通用寄存
8、器GPR 0 1 2 3 4 5 6 7 36 9 27 27 ALU 9 36 例例2：加法指令：加法指令 ADD R1 R3 R5 (3寄存器内容与寄存器内容与5寄存器内容相加，寄存器内容相加，并把和数写入并把和数写入1寄存器寄存器) A B 9 27 例例3：存数指令：存数指令 STORE R1 内存地址内存地址C 内存储器内存储器 C 8 36 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 2.2.2 指令与指令系统指令与指令系统 software instruction set hardware 9 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 指令在计算机中的执行过程指令在计算机中的执行过程 1.取指令取
9、指令：CPU的控制器从的控制器从存储器读取一条指令并放存储器读取一条指令并放 2.指令译码指令译码：指令寄存器中：指令寄存器中的指令经过译码，决定该的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操指令应进行何种操作、操作数在哪里作数在哪里 3.执行指令执行指令 3.1 取操作数取操作数 3.2 进行运算进行运算 4.修改指令计数器修改指令计数器，决定下，决定下一条指令的地址一条指令的地址 10 指令执行周期指令执行周期 1 取指令取指令 2 指令译码指令译码 3 执行指令执行指令 4 修改指修改指令计数器令计数器 问题：问题：CPU的时钟频率的时钟频率 (主频主频)与指令执行速度是什么关系？与指令
10、执行速度是什么关系？ 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 关于指令系统关于指令系统 ?CPU可执行的全部指令称为该可执行的全部指令称为该 CPU的指令系统，的指令系统， 即它的机器语言即它的机器语言 ?指令应该简单，简单才能提高速度指令应该简单，简单才能提高速度 ! 1.2.3.操作功能要简单，不宜太多、太复杂操作功能要简单，不宜太多、太复杂 指令的格式要统一：指令的格式要统一：固定长度、统一分段固定长度、统一分段 操作数的来源要有限制：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指令的操作数来自指令的操作数来自(
11、或送到或送到)内存内存 ? 寄存器寄存器? ?内存内存 内存内存? ?寄存器寄存器 ?Intel 奔腾处理器的指令系统由于历史的原因，并奔腾处理器的指令系统由于历史的原因，并不符合上述原则！不符合上述原则！ 11 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 关于指令的操作功能关于指令的操作功能 ?指令系统中的指令分成许多类，例如奔腾指令系统中的指令分成许多类，例如奔腾 4处理器处理器中共有七大类指令：中共有七大类指令： ?数据传送类数据传送类 逻辑运算类逻辑运算类 算术运算类算术运算类 移位操作类移位操作类 控制转移类控制转移类 位位(位串位串)操作类操作类 输入输入/输出类等输出类等 ?每一类指令（如
12、数据传送类、算术运算类）又按照每一类指令（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（操作数的性质（如整数还是实数）、长度（ 16位、位、32位、位、64位、位、128位等）而区分为许多不同的指令，位等）而区分为许多不同的指令，因此因此CPU往往有数以百计的不同的指令往往有数以百计的不同的指令 12 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 关于奔腾关于奔腾4系列的指令系统系列的指令系统 ?产品发展过程为：产品发展过程为： 8088（8086）80286 8038680486 PentiumPentium PROPentium II Pentium III Pentium 4
13、 奔腾奔腾D奔腾至尊奔腾至尊酷睿酷睿酷睿酷睿2 ?为解决软件兼容性问题，采用为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式向下兼容方式”开发新的处理开发新的处理器，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：功能更强的新指令。例如： ?Pentium比比80386增加了的增加了的80多条浮点指令，多条浮点指令， Pentium II比比Pentium增加了增加了50多条处理多媒体信息的指令多条处理多媒体信息的指令（Multimedia Extension ，称为，称为MMX），）， Pentium III比比Pent
14、ium II增加了增加了70条处理条处理128位长操作数的流式单位长操作数的流式单指令多数据指令指令多数据指令 ( (Streaming SIMD Extention , ,SSE) ) Pentium 4又比又比Pentium III 增加了增加了144条指令（称为条指令（称为SSE2） ?奔腾奔腾D 、奔腾至尊等又增加了奔腾至尊等又增加了SSE3指令指令 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 13 关于关于CPU的兼容性的兼容性 ?不同公司生产不同的不同公司生产不同的 CPU产品：产品： ?Intel公司：公司：Pentium系列、赛扬系列系列、赛扬系列 、至强等、至强等 ?AMD公司：独龙、
15、闪龙、炫龙等公司：独龙、闪龙、炫龙等 SUN公司：公司：Ultra SPARC处理器处理器 互相兼容互相兼容 IBM公司：公司：Power5、Power6等（苹果的等（苹果的Macintosh使用）使用） ?HP公司：公司： PA-RISC、Itanium 处理器处理器 A计算机（使用新型号计算机（使用新型号 CPU）的程序不能在）的程序不能在B计算机（使用老型号计算机（使用老型号 CPU）上运行，上运行， B计算机的程序却能在计算机的程序却能在 A计算机上运行计算机上运行 ?同一公司同一系列的同一公司同一系列的 CPU具有向下（前）兼容性：具有向下（前）兼容性： ?不同公司的不同不同公司的不
16、同 CPU产品其指令系统不同，它们互相不兼容：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计算机的程序不能在 B计算机上直接运行，计算机上直接运行， B计算机的程序也不能在计算机的程序也不能在A计算机上直接运行计算机上直接运行 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 14 2.2.3 CPU 的性能指标的性能指标 15 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 如何衡量如何衡量CPU的性能？的性能？ ?计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，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，例如它由许多因素决定，例如 CPU、内存、硬盘、显、内存、硬盘、显卡等，但通常卡等，但通常
17、 CPU是主要因素是主要因素 ?CPU性能高低的主要指标是性能高低的主要指标是 CPU的速度的速度，有，有2种种衡量方法：衡量方法： 1.计算每秒钟可执行的指令数目（单位：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）的执行速度来衡量游戏等）的执行速度来衡量CPU的性能的性能 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 2.16 影响影响CPU性能的主要因素性能的主要因素(之一之一) ?CPU的主频，即的主频，即CPU内核工作的时内核工作的时钟频率（钟频率（CPU Clock Speed）。）。
18、CPU的字长（位数）单位时间内的字长（位数）单位时间内 (同一时间同一时间)能一次能一次通常所说的某某通常所说的某某CPU是多少兆赫的，是多少兆赫的，处理的二进制数的位数叫字长处理的二进制数的位数叫字长 CPU的主的主而这个多少兆赫就是而这个多少兆赫就是“频频”。很多人认为。很多人认为CPU的主频就是的主频就是?目前目前PC使用的使用的CPU大多是大多是32位处理器，新一代的位处理器，新一代的PC其运行速度，其实不然。其运行速度，其实不然。CPU的主的主机将使用机将使用64位处理器位处理器 CPU内数字脉冲信号震荡内数字脉冲信号震荡频表示在频表示在的速度，与的速度，与主频（主频（CPU时钟频率
19、）时钟频率） CPU实际的运算能力并实际的运算能力并没有直接关系。由于主频并不直接没有直接关系。由于主频并不直接?主频提高，主频提高，CPU的处理速度通常也会加快的处理速度通常也会加快 代表运算速度，所以在一定情况下，代表运算速度，所以在一定情况下，很可能会出现主频较高的很可能会出现主频较高的CPU实际实际CPU总线（前端总线）的速度总线（前端总线）的速度 运算速度较低的现象。运算速度较低的现象。 ?CPU总线速度决定了总线速度决定了CPU与内存间数据传输速度的与内存间数据传输速度的快慢快慢 ?高速缓存（高速缓存（cache）的容量与结构）的容量与结构 ?cache容量越大、级数越多，其效用就
20、越显著容量越大、级数越多，其效用就越显著 17 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 影响影响CPU性能的主要因素性能的主要因素(之二之二) ?CPU的指令系统的指令系统 ?指令的格式和功能会影响程序的执行速度指令的格式和功能会影响程序的执行速度 CPU包含的定点运算器和浮点运算器数目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有无指令预测和数据预测功能 ?CPU的逻辑结构的逻辑结构 ?18 是否具有数字信号处理功能是否具有数字信号处理功能 是否多核，有几个内核是否多核，有几个内核 2.2 CPU 的逻辑结构与原
21、理 Intel 微处理器主要技术参数比较微处理器主要技术参数比较 处理器处理器 主要参数主要参数 推出时间推出时间(年年) 主频主频 (MHz) 8080 1974 2 8086 1978 4.77 80286 1982 6-20 80386 1985 16-33 80486 1989 33-100 奔腾奔腾 199396 60-200 高能奔腾高能奔腾 199597 150-200 奔腾奔腾 1997-98 233-333 奔腾奔腾 1999-2003 450-1400 奔腾奔腾4 2000-2006 1500-3800 400, 533 或或800，1066 前端总线频率前端总线频率(MH
22、z) 外部数据线数外部数据线数目目 地址线数目地址线数目 存储器空间大存储器空间大小小 晶体管数目晶体管数目 (万万) 制造工艺制造工艺 (m) 芯片引脚数目芯片引脚数目 2 4.77 620 1633 25或或33 50或或66 66 66 100或或133 8 16 64K 16 20 1MB 16 24 16MB 32 32 4GB 32 32 4GB 64 32 4GB 64 36 64GB 64 36 64GB 64 36 64GB 64 36 64GB 0.45 6 40 2.9 2 ,40 13.4 1.5 68 27.5 1.51.0 132 120 1.00.8 168 31
23、0 0.80.35 273或或296 550 0.6-0.35 387 750 0.35-0.25 242 950 0.25-0.13 370 4200 0.130.065 478或或775 19 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 附：附：Pentium4 的逻辑结构的逻辑结构 ? 寄存器组与寄存器组与CPU字长字长 ? 超标量结构超标量结构ALU ? 流水线处理技术流水线处理技术 ? SIMD技术技术 ? EM-64T ? 超线程技术超线程技术 ? 双核与多核技术双核与多核技术 20 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 指令的流水线执行指令的流水线执行 指令的顺序执行：指令的顺序执行： 指令指
24、令1(I1) 指令指令2(I2) 指令指令3(I3) T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T 指令的流水线执行：指令的流水线执行： I1 I2 I3 I4 I5 I6 21 Pentium 4的流水线分成的流水线分成20级，每一级的操作都很简单级，每一级的操作都很简单,执行速度极快，因而允许时执行速度极快，因而允许时钟频率高达钟频率高达1GHz以上以上 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 超线程超线程(Hyper-Threading, HT)技术技术 ?背景：背景： ?实际应用中实际应用中CPU的执行单元没有被充分使用，性能未得到充分发挥的执行单元没有被充分使用，性能未得
25、到充分发挥 ?超线程超线程(HT)技术：把硬件模拟成两个处理器芯片，从技术：把硬件模拟成两个处理器芯片，从 OS来看就像有两个来看就像有两个CPU一样，可同时执行一样，可同时执行 2个线程个线程 ?P4处理器增加了一个逻辑处理器增加了一个逻辑CPU指针，而整数运算单元、浮点运算单元、指针，而整数运算单元、浮点运算单元、L2 Cache等均由等均由2个线程共享个线程共享 处理器有两种运行模式：处理器有两种运行模式： ?Single Task Mode （单任务模式）：系统只有（单任务模式）：系统只有 1个逻辑处理器个逻辑处理器 Multi Task Mode （多任务模式）：系统有（多任务模式）
26、：系统有 2个逻辑处理器个逻辑处理器 ?分析：分析： ?由于不是由于不是2个真正的个真正的CPU，它们需要共享，它们需要共享ALU、cache等资源，当两个线程等资源，当两个线程同时需要使用某个资源时，一个线程必须暂停运行，直到该资源空闲后才能同时需要使用某个资源时，一个线程必须暂停运行，直到该资源空闲后才能继续执行。因此超线程的性能达不到继续执行。因此超线程的性能达不到2个物理个物理CPU的性能的性能 超线程技术需要芯片组、超线程技术需要芯片组、OS和应用软件支持，才能发挥该项技术的优势，和应用软件支持，才能发挥该项技术的优势，Windows2000就不支持双线程就不支持双线程 当运行单线程
27、应用软件时，超线程技术甚至会降低系统性能当运行单线程应用软件时，超线程技术甚至会降低系统性能 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 22 双核处理器出现的背景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：提高主频来提升处理器性能的瓶颈是散热问题： ?3.2GHz 的的Pentium 4处理器功率超过处理器功率超过100W，内核，内核温度达摄氏温度达摄氏70度度 ?提升到提升到4.0GHz时功率会达到时功率会达到150W，散热问题更难，散热问题更难处理处理 ?超线程技术虽然可以提高执行部件的使用效率，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
28、了效但有一定开销，对于单线程的软件反而降低了效率率 ?集成电路制造及封装技术的进步，有能力把集成电路制造及封装技术的进步，有能力把 2个甚个甚至更多个处理器做在至更多个处理器做在 1个芯片内个芯片内 23 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 双核处理器双核处理器 ?1个芯片中有两个功能相同的处理器个芯片中有两个功能相同的处理器 (内核内核)，在操，在操作系统看来，系统中有作系统看来，系统中有 2个物理处理器个物理处理器 ?2个内核可以各有自己的个内核可以各有自己的 L2 cache，但必须保正其，但必须保正其中的信息完全一致，否则就会出现运算错误中的信息完全一致，否则就会出现运算错误 (由由95
29、5X芯片组中北桥芯片负责芯片组中北桥芯片负责 )，也可以共享同一个，也可以共享同一个L2 cache ?用途：面向计算密集型应用和娱乐发烧友用途：面向计算密集型应用和娱乐发烧友 ?产品：产品： ?揭开外壳后的揭开外壳后的Pentium D处理器处理器 Pentium D(不支持超线程技术不支持超线程技术) 独立独立?Pentium Extreme Edition( 至尊版至尊版)支持支持HT，cache 最多可作为最多可作为4个处理器用个处理器用 ?共享共享cache 酷睿酷睿? (Core Duo)双核处理器双核处理器(嵌入式应用和嵌入式应用和笔记本笔记本)：不支持：不支持HT和和64位扩展位扩展 ?酷睿酷睿2 (Core 2 Duo)双核处理器：支持双核处理器：支持EM64T 2.2 CPU 的逻辑结构与原理 24
