《现代计算机结构综述》第三章CPU.ppt

第三章,CPU,现代计算机结构综述,计算机“大脑”,回顾,存储器的概念和地位存储器的基本构成存储器的分类存储器的技术指标只读存储器的概念和特点磁表面存储器的概念、分类、特点及其工作原理虚拟存储器,目标,掌握CPU的结构和工作原理了解CPU的几项性能指标了解CPU的发展历史掌握几种典型CPU的工作原理学会如何选购CPU了解主板的基本性能与组成学会选购主板,CPU的内部结构,CPU的性能指标,时钟频率,频率是描述周期性循环信号在单位时间内所出现的次数频率的标准计量单位是Hz(赫)。,单位有Hz(赫)、kHz(千赫)、MHz(兆赫)、GHz(吉赫)其中1G=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz,CPU的性能指标,主频、外频、倍频,主频是CPU的时钟频率外频是系统总线的工作频率倍频是外频与主频相差的倍数主频=外频倍频,CPU的性能指标,前端总线FSB,前端总线是CPU与其他设备连接的通道前端总线频率是该通道“运输数据的速度”,前端总线=外频？,外频和FSB,外频是CPU乃至整个计算机系统的基准频率，单位是MHz（兆赫兹）。计算机系统中大多数设备的频率都是在外频的基础上，乘以一定的倍数来实现，这个倍数可以是大于1的，也可以是小于1的。在以前的很长一段时间里（主要是在Pentium4出现之前和刚出现Pentium4时），前端总线频率与外频是相同的，因此往往直接称前端总线为外频。随着计算机技术的发展，人们发现前端总线频率需要高于外频，因此采用了QDR（QuadDateRate）技术，或者其他类似的技术实现这个目的。它们使得前端总线的频率成为外频的2倍、4倍甚至更高，从此之后前端总线和外频的区别才开始被人们重视起来。,CPU的性能指标,工作电压,CPU核心(Die)正常工作所需的电压。,高速缓存,一种速度非常快的存储介质介于CPU的寄存器与其他设备之间,高速缓存的分级,L1Cache,L2Cache,L3Cache,CPU的性能指标,超线程技术(HT),源于x86平台的同步多线程(SMT)技术,处理器的位数,CPU内部主要寄存器宽度、字长（数据总线宽度）,CPU的发展过程,年代公司处理器集成度(晶体管)1971年，Intel公司4004微处理器2300个1978年，Intel公司8086微处理器29000个1982年，Intel公司80286微处理器130000个1985年，Intel公司80386微处理器27.5万个1989年，Intel公司80486处理器芯片120万个1993年，Intel公司Pentium(奔腾)310万个1997年，Intel公司Pentium750万个1999年，Intel公司Pentium950万个2000年，Intel公司Pentium2300万个,Intel,传统CPU,M6800CPU,M6800CPU是一种8位微处理器，采用单一的5V电源。主频为1MHz，由外面加入CPU。,8位ALU16位程序计数器16位堆栈指示器16位变址寄存器8位累加器8位状态条件码寄存器8位指令寄存器操作控制器8位数据缓冲寄存器16位地址缓冲寄存器,ALU,程序计数器,堆栈指示器,变址寄存器,累加器,状态码寄存器,指令寄存器,操作控制器,数据缓冲寄存器,地址缓冲寄存器,传统CPU,IBM370系列CPU,ALU部件按功能不同分为如下三个子部件：(1)定点运算，包括整数计算和有效地址的计算(2)浮点运算(3)可变长运算，包括十进制算术运算和字符串操作,定点运算,浮点运算,十进制算术,传统CPU,Intel80486CPU,特点：,1采用流水技术，以及微程序控制和硬布线逻辑控制相结合的方式,2包含一个8KB的数据和指令混合性cache,3包含了增强性80387协处理器（FPU）,4内部数据总线宽度为64位,与外部数据总线宽度（32位）可以自动转换,5地址信号线扩充到32位，可以处理4GB的物理存储空间利用虚拟存储器，其存储空间达64TB,6采用单倍的时钟频率，增加了电路的稳定性,传统CPU,Intel80486CPU(P58),486CPU的内部结构,总线接口部件（BIU）,段管理部件页管理部件,指令预取部件,ALUFPU,操作控制部件,传统CPU,流水CPU,并行处理技术,并行性两种含义：一是同时性，指两个以上事件在同一时刻发生；二是并发性，指两个以上事件在同一时间间隔内发生。计算机的并行处理技术主要有三种形式：(1)时间并行：让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。2)空间并行：指资源重复，在并行性概念中引入空间因素，以“数量取胜”为原则来大幅度提高计算机的处理速度。(3)时间并行+空间并行：时间并行+空间并行指时间重叠和资源重复的综合应用，既采用时间并行性又采用空间并行性。显然，第三种并行技术带来的高速效益是最好的。,流水技术,提高生产速度的两种方法,流水技术,一个指令分为分析和执行两部分,浮点加法分为四部分,流水技术,流水技术,流水时空图,流水技术,通过时间,流水线：在CPU中把一条指令分解成多个可单独处理的操作，使每个操作在一个专门的硬件站（stage）上执行，这样一条指令需要顺序地经过流水线中多个站的处理才能完成，但是前后相连的几条指令可以依次流入流水线中，在多个站间重叠执行，因此可以实现指令的并行处理。,80486的指令分PF、D1、D2、EX、WB五个操作步骤,0,1,2,3,4,5,6,8,7,时间,i1,i2,i3,i4,i5,五个阶段的整数流水线：PF(预取)：处理器从代码cache中预取指令D1(译码阶段1)：处理器对指令译码确定操作码和寻址信息。在这个阶段还进行指令的成对性检查和分支预测D2(译码阶段2)：产生访问存储器的地址EX(执行)：处理器或者访问数据cache，或者利用ALU、桶型移位器或其他功能单元计算结果WB(写回)：利用指令运行结果更新寄存器和标志寄存器,流水过程由多个相联系的子过程组成，每个子过程称为流水线的级或段。段的数目称为流水线的深度。,流水技术特点,(2)每个子过程由专用的功能段实现；,流水技术特点,(3)各个功能段所需时间应尽量相等，否则，时间长的功能段将成为流水线的瓶颈，会造成流水线的堵塞和断流。这个时间一般为一个时钟周期(拍)；,(4)流水线需要有通过时间(第一个任务流出结果所需的时间)，在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期(拍)流出一个结果；,传统CPU,流水CPU,流水计算机系统组成原理,指令部件流水线取（指令）译（指令）算（操作数地址）取（操作数）指令队列执行部件（多个运算部件）,由图可见，当执行部件正在执行第I条指令时，指令队列中存放I+1，I+2，I+k条指令，而与此同时，指令部件正在取第I+k+1条指令。,传统CPU,奔腾CPU,奔腾（Pentium）的技术性能,超标量流水处理器,内部主要寄存器宽度为32位，存储器数据总线64位528MB/s,外部地址总线宽度是36位，通常使用32位,内部分别设置指令Cache和数据Cache，外部还可接L2Cache,非定长的指令格式，9种寻址方式，191条指令,每个时钟周期可以执行三条指令,浮点运算部件,动态转移预测,超标量的概念,超标量（superscalar）：是指在CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令，这种设计就叫超标量技术。,Pentium由三个执行单元组织而成，一个执行浮点指令，另两个执行整型指令（U流水线和V流水线），这意味着Pentium同时可以执三条指令。,传统CPU,奔腾CPU的结构框图,时间,i1,i2,i3,i4,0,1,2,3,4,5,6,8,7,i5,i6,i7,i8,U,V,U,V,U,V,Pentium的超标量流水线,传统CPU,RISCCPU,1、一个有限的简单的指令集2、CPU配备大量的通用寄存器3、强调对指令流水线的优化,RISC概括的三个基本要素：,传统CPU,RISCCPU,RISC机器的特点,1、使用等长指令4个字节2、寻址方式少且简单4种3、只有取数指令、存数指令访问存储器4、指令集中的指令数目一般少于100种，指令格式一般少于4种5、指令功能简单，控制器多采用硬布线方式，以期更快的执行速度6、平均而言，所有指令的执行时间为一个处理时钟周期,传统CPU,RISCCPU,RISC机器的特点,7、指令格式中，用于指派整数寄存器的个数不少于32个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于16个8、强调通用寄存器资源的优化使用9、支持指令流水并强调指令流水的优化使用10、RISC技术的复杂性在它的编译程序，因此软件系统开发时间比CISC机器长,传统CPU,RISC与CISC的主要特征对比,传统CPU,RISCCPU,MC88110CPU,ARM,ARM的含义,公司名称,一类为处理器的通称,一种技术,ARM的应用领域,工业控制领域,无线通讯领域,网络应用,消费类电子产品,成像和安全产品,ARM的特点,体积小、低功耗、低成本、高性能,支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集,大量使用寄存器，指令执行速度更快,大多数数据操作都在寄存器中完成,寻址方式灵活简单，执行效率高,指令长度固定,处理器模式,ARM,用户模式(user)：ARM处理器正常的程序执行状态快速中断模式(fiq)：用于高速数据传输或通道处理外部中断模式(irq)：用于通用的中断处理管理模式(svc)：操作系统使用的保护模式数据访问终止模式(abt)：当数据或指令预取终止时进入该模式，用于虚拟存储及存储保护系统模式(sys)：运行具有特权的操作系统任务未定义指令中止模式(und)：当未定义的指令执行时进入该模式，用于支持硬件协处理器的软件仿真,多媒体,多媒体技术是指计算机把各种不同的电子媒质集成起来，统一进行存储、处理和传输。,1991年第一台多媒体PC机1993年Pentium57条MMX扩展指令，专门用来处理音频相关计算1999Pentium3使用增强音频、视频和3D图形效果的SSE指令集,多媒体,多媒体技术的主要问题,1图像与声音的压缩技术要求：30帧s22.5MB/s2适应多媒体技术的软件技术1多媒体功能的OS2编辑软件3计算机系统结构方面的技术专用芯片总线的结构多媒体技术嵌入CPU,CPU的选择,CPU选购技巧,1确定所用CPU的类型2购买什么档次的处理器,(1)性能(2)价格,(1)普通家用(2)办公应用(3)游戏玩家(4)多媒体应用(5)图形设计,认识主板,主板的基础知识（Mainboard）,1主流主板的外观,(1)认识PCB板,(2)认识主板芯片组,(3)认识内存条插槽,(4)认识PCI插槽,(5)认识AGP插槽,(7)认识IDE驱动器接口,(9)认识主板BI0S芯片,(10)外部输入及输出接口,(6)认识PCIExpress插槽,(8)认识SATA硬盘数据线接口,认识主板,主板的基础知识（Mainboard）,主板的板型结构,AT结构是最原始的板型，一般用于早期的586机型中，目前这种结构的主板已经绝迹。BabyAT主板是改良型的AT主板，目前这种架构的主板已经不再生产。ATX是目前最常见的主板结构，市场上绝大部主板都是这种架构的。MicroATX也称MiniATX结构，它是ATX结构的简化版。,认识主板,流行的外部I/O接口,认识USB接口,(1)USB的发展,USB1.01.5Mbit/sUSB1.112Mbit/sUSB2.0480Mbit/s,(2)USB接口的外观,认识IEEE1394接口(FireWire)400Mbit/s,认识主板,主板上的设备接口及连接器,1认识“跳线”,2认识主板上的DIP开关,3认识主板上的电源插座,4认识散热风扇电源插座,认识主板,主板选购原则,1实际需求和应用环境2品牌3服务4对系统性能的期望5各项附加功能6性价比7稳定性8兼容性9升级可扩充能力,总结,CPU的基本组成结构及功能CPU的性能指标CPU的发展过程,