第2章2[1].2CPU的逻辑结构与原理课件

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,2.2 CPU,的逻辑结构与原理,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,2.2 CPU,的逻辑结构与原理,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,2.2 CPU,的逻辑结构与原理,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 CPU的逻辑结构与工作原理2.2.1 CPU的,2.2.1,CPU,的逻辑结构,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,运算器和控制器,输入设备,输出设备,存储器,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，,“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,按指令要求完成对数据的运算和处理,“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,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,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,存储器中央存储数据执行指令指令，数据处理结果CPU的任务CP,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：,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,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,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,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,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,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,内存储器,A,C,9,27,B,ALU,0 1 2 3 4 5 6 7,运算器(,ALU),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,STORE,R1,内存地址,C,例,3,：存数指令,9,例,2,：加法指令,ADD,R1,R3,R5,(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,LOAD,R3,内存地址,A,LOAD,R5,内存地址,B,27,36,27,9,36,36,通用寄存器,GPR,内存储器AC927BALU0 1 2 3 4,2.2.2,指令与指令系统,instruction set,software,hardware,2.2.2 指令与指令系统instruction sets,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：,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,指令的格式：,操作码用几位表示？,(,多少种不同的操作功能,),操作数地址是,2,个还是,3,个？,R1,R3+R5,R1,R1-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？,ADD,R1,R,3,R,5,SUB,R,1,R,3,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：,1.,操作码用几位表示？,(,有多少种不同的操作功能，采用不同的二进制数,),如：加减,2,种功能，可采用一位,0,，,1,；,加减乘除,4,种功能，可采用,2,位,00,，,01,，,10,，,11,；,依此类推,操作数地址是,2,个还是,3,个？,从,0,个地址到,3,个地址都有,零地址指令，如,NOP,CLR,一地址指令，如,INR R1,二地址指令，如,ADD R1,R2,三地址指令，如,ADD R1,R2,R3,如何指出内存地址？,(,寻址方式,),隐含方式，立即方式，寄存器方式，直接寻址，间接寻址，相对寻址，,变址和基址寻址，复合寻址,指令长度是多少位，固定长度,/,可变长度？,16,，,32,，,64.,1.操作码用几位表示？,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？,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,指令执行过程的模拟,模拟程序,1,（,flash,动画，单步）,模拟程序,2,（,flash,动画，自动）,指令执行过程的模拟模拟程序1 （flash动画，单步）模拟,关于指令系统,CPU,可执行的全部指令称为该,CPU,的指令系统，即它的机器语言,指令应该简单，简单才能提高速度,!,操作功能要简单，不宜太多、太复杂,指令的格式要统一：,固定长度、统一分段,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,LOAD/STORE,指令的操作数来自,(,或送到,),内存,寄存器,内存 内存,寄存器,Intel,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！,关于指令系统CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，即,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,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,关于奔腾4系列的指令系统,产品发展过程为：,8088,（,8086,）,80286,80386,80486,Pentium,Pentium PRO,Pentium II,Pentium III,Pentium 4,奔腾,D,奔腾至尊,酷睿,酷睿,2,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：,Pentium,比,80386,增加了的,80,多条浮点指令，,Pentium II,比,Pentium,增加了,50,多条处理多媒体信息的指令（,Multimedia Extension,，,称为,MMX,），,Pentium 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,),Pentium 4,又比,Pentium III,增加了,144,条指令（称为,SSE2,）,奔腾,D,、,奔腾至尊、酷睿,2,等又增加了,13,条,SSE3,指令,关于奔腾4系列的指令系统产品发展过程为：8088（8086）,关于CPU的兼容性,不同公司生产不同的,CPU,产品：,Intel,公司：,Pentium,系列、赛扬系列、至强等,AMD,公司：独龙、闪龙、炫龙等,IBM,公司：,Power5,、,Power6,等（苹果的,Macintosh,使用）,SUN,公司：,Ultra SPARC,处理器,HP,公司：,PA-RISC,、,Itanium,处理器,同一公司同一系列的,CPU,具有向下（前）兼容性：,A,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,不同公司的不同,CPU,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,B,计算机上直接运行，,B,计算机的程序也不能在,A,计算机上直接运行,互相兼容,关于CPU的兼容性不同公司生产不同的CPU产品：互相兼容,2.2.3,CPU,的性能指标,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、数字媒体处理软件和,3D,游戏等）的运行速度来衡量,CPU,的性能,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,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(之一)CPU的字长（位数）,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,影响CPU性能的主要因素(之二)CPU的指令系统,Pipelining and Parallel Processing,Instructions,Results are,sequenced,1.,指令排队等候进入,CPU,处理,并行处理,提高计算机速度的有效途经,3.,每个,CPU,负责完成分配给它的指令,2.,哪一个,CPU,空闲，就把等候的指令交给它执行,(,包含,3,个内核,),Pipelining and Parallel Proces,Intel,微处理器主要技术参数比较,处理器,主要参数,8086,80286,80386,80486,奔腾,高能奔腾,奔腾,奔腾,奔腾,4,酷睿,2