22CPU的结构与原理课件.ppt

1、2.2 CPU的结构与原理2.2.1 CPU的作用与组成2.2.2 指令与指令系统2.2.3 CPU的性能指标2.2.1 CPU的作用与组成32.2 CPU的逻辑结构与原理冯冯诺依曼的诺依曼的“存储程序控制存储程序控制”原理原理n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并预先预先存放在存储器存放在存储器中中n程序运行时，程序运行时，CPU从从内存内存中一条一条地取出指令和相应的中一条一条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

2、到程序执行完毕为止程序执行完毕为止 CPU从内存中从内存中逐条读取该程序逐条读取该程序的指令及相关的的指令及相关的数据数据将指令的运算将指令的运算处理结果送回内处理结果送回内存保存存保存任务完成后，任务完成后，将处理得到的全将处理得到的全部结果成批传送部结果成批传送到外存以长久保到外存以长久保存存外存储器外存储器内存储器内存储器CPU任务启动时，任务启动时，执行该任务的程执行该任务的程序和数据从外存序和数据从外存成批传送到内存成批传送到内存指令1指令2指令k指令n程序程序数据1数据2数据m数据数据CPU逐逐条 执 行 指条 执 行 指令令,按指令按指令要 求 完 成要 求 完 成对 数 据 的

3、对 数 据 的运 算 和 处运 算 和 处理理42.2 CPU的逻辑结构与原理存储器存储器中央中央处理器处理器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指令，数据指令，数据处理结果处理结果CPU的任务的任务nCPU的根本任务是执行指令，它按指令的规定对的根本任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行基本运算和处理。数据进行基本运算和处理。52.2 CPU的逻辑结构与原理指令是什么？指令是什么？n指令就是命令，它用来规定指令就是命令，它用来规定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n指

4、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：操作码操作码操操 作作 数数 地地 址址指出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62.2 CPU的逻辑结构与原理CPU的结构和任务的结构和任务nCPU主要由主要由运算器、控制器和寄存器组运算器、控制器和寄存器组3个部分组成个部分组成nCPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作的任

5、务：取指令并完成指令所规定的操作寄寄存存器器组组运运算算器器中央处理器中央处理器指令计数器指令计数器指令寄存器指令寄存器控制器控制器数数 据据程序程序指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n数据数据1数据数据2数据数据m数据数据内存储器内存储器指指 令令 指令地址指令地址 操作数地址操作数地址存放待执行存放待执行指令的地址指令的地址已经启动运已经启动运行的程序和行的程序和数据数据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完成规定的运完成规定的运算算暂存等待处暂存等待处理的数据理的数据操作命令操作命令72.2 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instruc

6、tion setsoftwarehardware82.2 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.取指令取指令：CPU的控制器从存的控制器从存储器（内存或储器（内存或CACHE）读）读取一条指令并放入指令寄存取一条指令并放入指令寄存器器2.指令译码指令译码：指令寄存器中的：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在应进行何种操作、操作数在哪里哪里3.执行指令执行指令3.1 取操作数放置寄存器组取操作数放置寄存器组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，决定下一，决定下一条指令的地址条指令的地址1 取

7、指令取指令4 修改指修改指令计数器令计数器3 执行指令执行指令2 指令译码指令译码指令执行周期指令执行周期通常，每一步需要通常，每一步需要1个或几个时个或几个时钟周期才能完成钟周期才能完成 92.2 CPU的逻辑结构与原理9 9指令执行过程：指令执行过程：(1)(1)CPUCPU的控制器从的控制器从存储器读取一条指令并放入指令存储器读取一条指令并放入指令寄存器寄存器。(2)(2)指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进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。行何种操作、操作数在哪里。(3)(3)根据操作数的位置根据操作数的位置取出操作数取出操作数。(4)(4)运算

8、器按照操作码的要求，对操作数完成运算器按照操作码的要求，对操作数完成规定的规定的运算，运算，并根据运算结果修改或设置处理器的一些状并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志。态标志。(5)(5)把运算结果保存到指定的寄存器，需要时，把结把运算结果保存到指定的寄存器，需要时，把结果果从寄存器保存至内存单元从寄存器保存至内存单元。(6)(6)修改修改指令计数器指令计数器，决定下一条指令的地址。，决定下一条指令的地址。102.2 CPU的逻辑结构与原理关于指令系统关于指令系统nCPU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n指令应该简单

9、，简单才能提高速度指令应该简单，简单才能提高速度!1.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2.指令的格式要统一：固定长度、统一分段指令的格式要统一：固定长度、统一分段3.操作数的来源要有限制：操作数的来源要有限制：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指令的操作数来自指令的操作数来自(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nIntel 处理器的指令系统由于历史的原因，并不符处理器的指令系统由于历史的原因，并不符合上述原则！合上述原则！112.2 CPU的逻辑结构与原理关于关于CP

10、U的兼容性的兼容性n不同公司生产不同的不同公司生产不同的CPU产品，一般互不兼容：产品，一般互不兼容：nIntel公司：奔腾、赛扬公司：奔腾、赛扬、酷睿、灵动等、酷睿、灵动等nAMD公司：独龙、闪龙、炫龙等公司：独龙、闪龙、炫龙等nIBM公司：公司：Power5、6、7等等nSUN公司：公司：Ultra SPARC处理器处理器n英国英国ARM公司：公司：ARM 处理器处理器n同一公司同一系列的同一公司同一系列的CPU具有向下兼容性：具有向下兼容性：nA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（使用老计算机（使用老型号型号CPU）上运行，）上运行，B计算机的

11、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nPC机与平板电脑、智能手机的指令系统有很大差别，不兼机与平板电脑、智能手机的指令系统有很大差别，不兼容。容。互不兼容互不兼容A计算机的程序不能在计算机的程序不能在B上上直接运行，直接运行，B计算机的程计算机的程序也不能在序也不能在A上直接运行上直接运行互相兼容互相兼容122.2 CPU的逻辑结构与原理Intel公司公司CPU芯片的发展变化芯片的发展变化n30多年来其多年来其主要产品的发展过程主要产品的发展过程为：为：n8088（8086）802868038680486 Pentium Pentium PROPentium II Penti

12、um III Pentium 4 赛扬系列赛扬系列奔腾系列奔腾系列（过渡型）（过渡型）（经济型）（经济型）凌动系列凌动系列（上网本）（上网本）酷睿系列酷睿系列(Core 2、Core i3/i5/i7)（主流型）（主流型）当前当前产品产品132.2 CPU的逻辑结构与原理2.2.3 CPU的性能指标的性能指标142.2 CPU的逻辑结构与原理如何衡量如何衡量CPU的性能？的性能？n计算机的性能主要表现为计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢程序执行速度的快慢n计算机性能由许多因素决定，例如计算机性能由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡、内存、硬盘、显卡等，但通常等，但通常CPU是主要

13、因素是主要因素nCPU的性能高低主要表现为的性能高低主要表现为CPU的速度的速度，有两种衡量方法：，有两种衡量方法：1.计算每秒钟可执行的指令数目计算每秒钟可执行的指令数目(单位：单位：MIPS、MFLOPS)n巨型计算机：几十万亿几百万亿次巨型计算机：几十万亿几百万亿次 基本运算基本运算/秒秒n个人计算机：几千万几亿次个人计算机：几千万几亿次 基本运算基本运算/秒秒（其中，基本运算指的是：四则运算和（其中，基本运算指的是：四则运算和，等逻辑运算）等逻辑运算）2.PC大多以常用软件大多以常用软件(办公软件、数字媒体处理软件和办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等游戏等)的运行速度来测试的运行速

14、度来测试CPU的性能，例如：的性能，例如：n游戏性能游戏性能测试程序测试程序:3DMarkn整体综合性整体综合性能能测试程序测试程序:PCMark152.2 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n字长（位数）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）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、采用的流水线结构包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水线

15、结构和级数、指令分支预测的机制、执行部件的数目等和级数、指令分支预测的机制、执行部件的数目等n内核数目内核数目n高速缓存（高速缓存（cache）的容量与结构）的容量与结构 n主频（主频（CPU时钟频率）时钟频率）n指指CPU芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决定着芯片中电子线路（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芯片内部数据传输与操作速度的快慢。主频提高，主频提高，CPUCPU的处的处理速度通常也会加快。例如：理速度通常也会加快。例如：P4/3.2GHZ/512M,P4/3.2GHZ/512M,其中其中3.2GHZ3.2GHZ指主指主频频nCPU总线

16、速率总线速率nCPU总线（前端总线）传输速率：决定着总线（前端总线）传输速率：决定着CPU与内存之间传输数与内存之间传输数据的速度快慢据的速度快慢体体系系结结构构逻逻辑辑实实现现物物理理实实现现162.2 CPU的逻辑结构与原理1980 1990 2005 2010 20151980 1990 2005 2010 20154核核 80 x86 Pentium 80核核 双核双核年代年代性性能能提高提高CPU性能的性能的3大措施大措施提高主频提高主频增加逻辑增加逻辑复杂度复杂度增加内核数目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处理器性能与其逻辑复杂性的平方根成正比，若逻性的平方根成

17、正比，若逻辑复杂性提高辑复杂性提高1倍，至多倍，至多能提高能提高40%的性能的性能最大瓶颈是散热问题：最大瓶颈是散热问题：3.2GHz 的的Pentium 4功耗超过功耗超过100W，温度达温度达70度！度！主频到主频到4.0GHz，功耗会达到，功耗会达到150W！采用采用2个处理器构成一个处理器构成一个双核处理器，可以个双核处理器，可以提高提高70%80%的性的性能能电路与封装技术的进电路与封装技术的进步，能把多个处理器步，能把多个处理器做在单个芯片上做在单个芯片上1改进改进CPU结构；结构；2 提高提高IC速度速度(主频主频)；3 增加增加CPU(核核)的数目的数目172.2 CPU的逻辑

18、结构与原理什么是双核什么是双核/四核处理器？四核处理器？揭开外壳后的揭开外壳后的Pentium D处理器处理器共享的共享的L2 cache2 x 奔腾双核奔腾双核E5000处理器处理器 n单个单个IC封装有封装有2个功能完个功能完全相同的处理器全相同的处理器(内核内核)n进一步发展为进一步发展为2个内核做个内核做在同一晶片上，共享在同一晶片上，共享L2 cache，提高性价比，提高性价比n2个双核晶片封装在一起个双核晶片封装在一起成为成为4核处理器核处理器n4个个/6个内核做在同一晶个内核做在同一晶片上，共享片上，共享L3 cache（Core i7）182.2 CPU的逻辑结构与原理小结：提

19、高小结：提高CPU性能的措施性能的措施n扩展扩展CPU的字长：的字长：32位位 64位位 n扩充扩充CPU指令系统：指令系统：SSE指令指令n提高提高CPU主频：从主频：从1.5GHz 3GHz以上，目前最高以上，目前最高已经接近已经接近4GHz；n加快加快CPU前端总线的数据传输速率前端总线的数据传输速率n增大增大cache存储器容量、增加存储器容量、增加cache的级数的级数n改进改进CPU内部的逻辑结构内部的逻辑结构n超标量结构（多个执行部件）超标量结构（多个执行部件）n指令流水线执行技术指令流水线执行技术n超线程技术超线程技术n采用多内核结构采用多内核结构 1、计算机工作的原理是、计算机工作的原理是“”，是由，是由_（国家）数学家（国家）数学家 提出。提出。存储程序控制存储程序控制 冯冯.诺依曼诺依曼考试真题练习2、CPU主要由控制器、_器和寄存器组成。运算运算考试真题练习3、Pentium2无法完全执行_所拥有的全部指令。A.Pentium B.Pentium Pro C.Pentium4 D.80486C考试真题练习4、一台P4/1.5G/512MB/80G的个人计算机，其CPU的时钟频率是_。A.512MHZ B.1500MHZ C.80000MHZ D.4MHZB考试真题练习