22CPU的結(jié)構(gòu)與原理精

1、2.2 CPU的結(jié)構(gòu)與原理 2.2.1 CPU的作用與組成 2.2.2 指令與指令系統(tǒng) 2.2.3 CPU的性能指標(biāo) 2.2.1 CPU的作用與組成 馮馮諾依曼的諾依曼的“存儲(chǔ)程序控制存儲(chǔ)程序控制”原理原理 ?將問(wèn)題的解算步驟編制成為將問(wèn)題的解算步驟編制成為 程序程序，程序連同它所處理的數(shù)，程序連同它所處理的數(shù)據(jù)都用據(jù)都用二進(jìn)位表示二進(jìn)位表示并預(yù)先并預(yù)先存放在存儲(chǔ)器存放在存儲(chǔ)器中中 ?程序運(yùn)行時(shí)，程序運(yùn)行時(shí)，CPU從從內(nèi)存內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定按指令操作碼的規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為

2、止程序執(zhí)行完畢為止 任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行該任務(wù)的程執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)從外存序和數(shù)據(jù)從外存外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器 成批傳送到內(nèi)存成批傳送到內(nèi)存 任務(wù)完成后，任務(wù)完成后，將處理得到的全將處理得到的全部結(jié)果成批傳送部結(jié)果成批傳送到外存以長(zhǎng)久保到外存以長(zhǎng)久保存存 指令1 指令2 指令k 程程序序 指令n 數(shù)據(jù)1 數(shù)據(jù)2 數(shù)據(jù)m 內(nèi)內(nèi)存存儲(chǔ)儲(chǔ)數(shù)數(shù)器器據(jù)據(jù)CPU從內(nèi)存中從內(nèi)存中逐條讀取該程序逐條讀取該程序的指令及相關(guān)的的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 將指令的運(yùn)算將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)處理結(jié)果送回內(nèi)存保存存保存 CPU CPU逐逐條條執(zhí)執(zhí) 行行 指指令令,按指令按指令要要求求 完完 成成對(duì)對(duì)數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 的

3、的運(yùn)運(yùn)算算 和和 處處理理 3 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 CPU的任務(wù)的任務(wù) ?CPU的根本任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對(duì)的根本任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本運(yùn)算和處理。數(shù)據(jù)進(jìn)行基本運(yùn)算和處理。 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 和指令和指令 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 處理數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 指令，數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù) 中央中央 處理器處理器 處理結(jié)果處理結(jié)果 4 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 指令是什么？指令是什么？ ?指令就是命令，它用來(lái)規(guī)定指令就是命令，它用來(lái)規(guī)定 CPU執(zhí)行什么操作。指令是構(gòu)執(zhí)行什么操作。指令是構(gòu)成程序的基本單位，程序是由一連串指令組成的成程序的基本單位，程序是由一連

4、串指令組成的 ?指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個(gè)部分組指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個(gè)部分組成：成： 操作碼操作碼 指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)命令詞，例如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等 操操 作作 數(shù)數(shù) 地地 址址 指出該指令所操作(處理)的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置 舉例舉例: 10 02 06 把把02存儲(chǔ)單元和存儲(chǔ)單元和06存儲(chǔ)單元中的內(nèi)存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容相加，和數(shù)保存在容相加，和數(shù)保存在02單元單元 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 5 CPU的結(jié)構(gòu)和任務(wù)的結(jié)構(gòu)和任務(wù) ?CPU主要由主要由運(yùn)算器、控制器和寄存器組運(yùn)算器、控制器和寄存器組3個(gè)部分組成個(gè)部分組成 ?CPU的

5、任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作的任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作 已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)的程序和數(shù)據(jù) 存放待執(zhí)行存放待執(zhí)行指令的地址指令的地址 存放待執(zhí)行的存放待執(zhí)行的指令并進(jìn)行譯指令并進(jìn)行譯碼碼 程程指令指令1 指令地址指令地址 序序指令指令2 指指 令令 指令指令k 指令計(jì)數(shù)器指令計(jì)數(shù)器 指令寄存器指令寄存器 操作命令操作命令 控控制制器器 內(nèi)內(nèi)存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器 操作數(shù)地址操作數(shù)地址 數(shù)數(shù)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)1 據(jù)據(jù)指指令令n 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)m 暫存等待處暫存等待處理的數(shù)據(jù)理的數(shù)據(jù) 寄寄存存器器組組 運(yùn)運(yùn)算算器器 中中央央處處理理器器 6 完成規(guī)定的運(yùn)完成規(guī)定的運(yùn)算算

6、 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 2.2.2 指令與指令系統(tǒng)指令與指令系統(tǒng) software instruction set hardware 7 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過(guò)程指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過(guò)程 1.取指令取指令：CPU的控制器從存的控制器從存儲(chǔ)器（內(nèi)存或儲(chǔ)器（內(nèi)存或CACHE）讀）讀取一條指令并放入指令寄存取一條指令并放入指令寄存器器 2.指令譯碼指令譯碼：指令寄存器中的：指令寄存器中的指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定該指令指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作、操作數(shù)在應(yīng)進(jìn)行何種操作、操作數(shù)在哪里哪里 3.執(zhí)行指令執(zhí)行指令 3.1 取操作數(shù)放置寄存器組取操作數(shù)放置寄存器

7、組 3.2 進(jìn)行運(yùn)算進(jìn)行運(yùn)算 4.修改指令計(jì)數(shù)器修改指令計(jì)數(shù)器，決定下一，決定下一條指令的地址條指令的地址 8 指令執(zhí)行周期指令執(zhí)行周期 1 取指令取指令 2 指令譯碼指令譯碼 3 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 4 修改指修改指令計(jì)數(shù)器令計(jì)數(shù)器 通常，每一步需要通常，每一步需要 1個(gè)或幾個(gè)時(shí)個(gè)或幾個(gè)時(shí)鐘周期才能完成鐘周期才能完成 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 指令執(zhí)行過(guò)程：指令執(zhí)行過(guò)程： (1)CPU(1)CPU的控制器從的控制器從存儲(chǔ)器讀取一條指令并放入指令存儲(chǔ)器讀取一條指令并放入指令寄存器寄存器。 (2)(2)指令寄存器中的指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)指令寄存器中的指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種

8、操作、操作數(shù)在哪里。行何種操作、操作數(shù)在哪里。 (3)(3)根據(jù)操作數(shù)的位置根據(jù)操作數(shù)的位置 取出操作數(shù)取出操作數(shù)。 (4)(4)運(yùn)算器按照操作碼的要求，對(duì)操作數(shù)完成運(yùn)算器按照操作碼的要求，對(duì)操作數(shù)完成 規(guī)定的規(guī)定的運(yùn)算，運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果修改或設(shè)置處理器的一些狀并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果修改或設(shè)置處理器的一些狀態(tài)標(biāo)志。態(tài)標(biāo)志。 (5)(5)把運(yùn)算結(jié)果保存到指定的寄存器，需要時(shí)，把結(jié)把運(yùn)算結(jié)果保存到指定的寄存器，需要時(shí)，把結(jié)果果從寄存器保存至內(nèi)存單元從寄存器保存至內(nèi)存單元 。 (6)(6)修改修改指令計(jì)數(shù)器指令計(jì)數(shù)器，決定下一條指令的地址。，決定下一條指令的地址。 9 9 9 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與

9、原理 關(guān)于指令系統(tǒng)關(guān)于指令系統(tǒng) ?CPU可執(zhí)行的全部指令稱為該可執(zhí)行的全部指令稱為該 CPU的指令系統(tǒng)，的指令系統(tǒng)， 即它的機(jī)器語(yǔ)言即它的機(jī)器語(yǔ)言 ?指令應(yīng)該簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單才能提高速度指令應(yīng)該簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單才能提高速度 ! 1.2.3.操作功能要簡(jiǎn)單，不宜太多、太復(fù)雜操作功能要簡(jiǎn)單，不宜太多、太復(fù)雜 指令的格式要統(tǒng)一：固定長(zhǎng)度、統(tǒng)一分段指令的格式要統(tǒng)一：固定長(zhǎng)度、統(tǒng)一分段 操作數(shù)的來(lái)源要有限制：操作數(shù)的來(lái)源要有限制： ?算術(shù)邏輯運(yùn)算指令的操作數(shù)只能來(lái)自寄存器算術(shù)邏輯運(yùn)算指令的操作數(shù)只能來(lái)自寄存器 ?LOAD/STORE指令的操作數(shù)來(lái)自指令的操作數(shù)來(lái)自(或送到或送到)內(nèi)存內(nèi)存 ? 寄存器寄存器? ?內(nèi)存

10、內(nèi)存 內(nèi)存內(nèi)存? ?寄存器寄存器 ?Intel 處理器的指令系統(tǒng)由于歷史的原因，并不符處理器的指令系統(tǒng)由于歷史的原因，并不符合上述原則！合上述原則！ 10 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 關(guān)于關(guān)于CPU的兼容性的兼容性 ?不同公司生產(chǎn)不同的不同公司生產(chǎn)不同的CPU產(chǎn)品，一般互不兼容：產(chǎn)品，一般互不兼容： ?Intel公司：奔騰、賽揚(yáng)公司：奔騰、賽揚(yáng) 、酷睿、靈動(dòng)等、酷睿、靈動(dòng)等 AMD公司：獨(dú)龍、閃龍、炫龍等公司：獨(dú)龍、閃龍、炫龍等 IBM公司：公司：Power5、6、7等等 SUN公司：公司：Ultra SPARC處理器處理器 英國(guó)英國(guó)ARM公司：公司： ARM 處理器處理器 互相兼容互相兼

11、容 互不兼容互不兼容 A計(jì)算機(jī)的程序不能在計(jì)算機(jī)的程序不能在B上上直接運(yùn)行，直接運(yùn)行， B計(jì)算機(jī)的程計(jì)算機(jī)的程序也不能在序也不能在A上直接運(yùn)行上直接運(yùn)行 ?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： ?A計(jì)算機(jī)（使用新型號(hào)計(jì)算機(jī)（使用新型號(hào) CPU）的程序不能在）的程序不能在B計(jì)算機(jī)（使用老計(jì)算機(jī)（使用老型號(hào)型號(hào)CPU）上運(yùn)行，）上運(yùn)行， B計(jì)算機(jī)的程序卻能在計(jì)算機(jī)的程序卻能在 A計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算機(jī)上運(yùn)行 ?PC機(jī)與平板電腦、智能手機(jī)的指令系統(tǒng)有很大差別，不兼機(jī)與平板電腦、智能手機(jī)的指令系統(tǒng)有很大差別，不兼容。容。 11 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 Inte

12、l公司公司CPU芯片的發(fā)展變化芯片的發(fā)展變化 ?30多年來(lái)其多年來(lái)其主要產(chǎn)品的發(fā)展過(guò)程主要產(chǎn)品的發(fā)展過(guò)程 為：為： ?8088（8086） 802868038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔騰系列奔騰系列 賽揚(yáng)系列賽揚(yáng)系列 （過(guò)渡型）（過(guò)渡型） （經(jīng)濟(jì)型）（經(jīng)濟(jì)型） （上網(wǎng)本）（上網(wǎng)本） 當(dāng)前當(dāng)前 產(chǎn)品產(chǎn)品 凌動(dòng)系列凌動(dòng)系列 酷睿系列酷睿系列(Core 2、Core i3/i5/i7) （主流型）（主流型） 12 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 2.2.3 CPU的性能指標(biāo)的性能指標(biāo) 13 2.2 CPU的

13、邏輯結(jié)構(gòu)與原理 如何衡量如何衡量CPU的性能？的性能？ ?計(jì)算機(jī)的性能主要表現(xiàn)為計(jì)算機(jī)的性能主要表現(xiàn)為程序執(zhí)行速度的快慢程序執(zhí)行速度的快慢 計(jì)算機(jī)性能由許多因素決定，例如計(jì)算機(jī)性能由許多因素決定，例如CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡、內(nèi)存、硬盤、顯卡等，但通常等，但通常CPU是主要因素是主要因素 CPU的性能高低主要表現(xiàn)為的性能高低主要表現(xiàn)為CPU的速度的速度，有兩種衡量方法：，有兩種衡量方法： 1.計(jì)算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目計(jì)算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目 (單位：?jiǎn)挝唬篗IPS、MFLOPS) ?巨型計(jì)算機(jī)：幾十萬(wàn)億幾百萬(wàn)億次巨型計(jì)算機(jī)：幾十萬(wàn)億幾百萬(wàn)億次 基本運(yùn)算基本運(yùn)算/秒秒 個(gè)人計(jì)算機(jī)：幾千萬(wàn)幾億

14、次個(gè)人計(jì)算機(jī)：幾千萬(wàn)幾億次 基本運(yùn)算基本運(yùn)算/秒秒 （其中，基本運(yùn)算指的是：四則運(yùn)算和（其中，基本運(yùn)算指的是：四則運(yùn)算和，等邏輯運(yùn)算）等邏輯運(yùn)算） 2.PC大多以常用軟件大多以常用軟件 (辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和 3D游戲等游戲等)的運(yùn)行速度來(lái)測(cè)試的運(yùn)行速度來(lái)測(cè)試 CPU的性能，例如：的性能，例如： ?游戲性能測(cè)試程序游戲性能測(cè)試程序 : 3DMark 整體綜合性能測(cè)試程序整體綜合性能測(cè)試程序 : PCMark 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 14 影響影響CPU性能的主要因素性能的主要因素 體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 邏邏輯輯實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn) ?字長(zhǎng)（位數(shù)）字長(zhǎng)（位數(shù)） ?指通

15、用寄存器和定點(diǎn)運(yùn)算器的寬度（即二進(jìn)制整數(shù)運(yùn)算的位數(shù)）指通用寄存器和定點(diǎn)運(yùn)算器的寬度（即二進(jìn)制整數(shù)運(yùn)算的位數(shù)） 指令的類型、數(shù)目和功能等都會(huì)影響程序的執(zhí)行速度指令的類型、數(shù)目和功能等都會(huì)影響程序的執(zhí)行速度 CPU包含的定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器的數(shù)目、采用的流水線結(jié)構(gòu)包含的定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器的數(shù)目、采用的流水線結(jié)構(gòu)和級(jí)數(shù)、指令分支預(yù)測(cè)的機(jī)制、執(zhí)行部件的數(shù)目等和級(jí)數(shù)、指令分支預(yù)測(cè)的機(jī)制、執(zhí)行部件的數(shù)目等 內(nèi)核數(shù)目?jī)?nèi)核數(shù)目 ?指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) ?邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu) ?物物理理實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn) ?高速緩存（高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu)）的容量與結(jié)構(gòu) ?主頻（主頻（CPU時(shí)鐘頻率）時(shí)鐘頻率） ?指指CPU芯

16、片中電子線路（門、觸發(fā)器）的工作頻率，它決定著芯片中電子線路（門、觸發(fā)器）的工作頻率，它決定著CPU芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸與操作速度的快慢。芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸與操作速度的快慢。 主頻提高，主頻提高，CPUCPU的處理的處理速度通常也會(huì)加快。例如：速度通常也會(huì)加快。例如： P4/3.2GHZ/512M,P4/3.2GHZ/512M,其中其中3.2GHZ3.2GHZ指主頻指主頻 CPU總線（前端總線）傳輸速率：決定著總線（前端總線）傳輸速率：決定著 CPU與內(nèi)存之間傳輸數(shù)與內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的速度快慢據(jù)的速度快慢 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 ?CPU總線速率總線速率 ?15 提高提高CPU性能的性能的3

17、大措施大措施 1改進(jìn)改進(jìn)CPU結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)； 2 提高提高IC速度速度(主頻主頻)；3 增加增加CPU(核核)的數(shù)目的數(shù)目 性性能能 增加邏增加邏輯復(fù)雜輯復(fù)雜度度 提高主頻提高主頻 增加內(nèi)核數(shù)目增加內(nèi)核數(shù)目 4核核 80核核 ? 雙核 ? 多核 ? 異構(gòu)的多核 雙核雙核 Pentium 電路與封裝技術(shù)的進(jìn)電路與封裝技術(shù)的進(jìn) 80 x86 步，能把多個(gè)處理器步，能把多個(gè)處理器做在單個(gè)芯片上做在單個(gè)芯片上 年代年代 處理器性能與其邏輯復(fù)雜處理器性能與其邏輯復(fù)雜1980 1990 2005 2010 2015 性的平方根成正比，若邏性的平方根成正比，若邏最大瓶頸是散熱問(wèn)題：最大瓶頸是散熱問(wèn)題： 采用采

18、用2個(gè)處理器構(gòu)成一個(gè)處理器構(gòu)成一輯復(fù)雜性提高輯復(fù)雜性提高1倍，至多倍，至多? 3.2GHz 的的Pentium 4功耗超過(guò)功耗超過(guò)100W，個(gè)雙核處理器，可以個(gè)雙核處理器，可以能提高能提高40%的性能的性能 溫度達(dá)溫度達(dá)70度！度！ 提高提高70%80%的性的性? 主頻到主頻到4.0GHz，功耗會(huì)達(dá)到，功耗會(huì)達(dá)到150W！ 能能 2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理 16 什么是雙核什么是雙核/四核處理器？四核處理器？ ?單個(gè)單個(gè)IC封裝有封裝有2個(gè)功能完個(gè)功能完全相同的處理器全相同的處理器(內(nèi)核內(nèi)核) ?進(jìn)一步發(fā)展為進(jìn)一步發(fā)展為2個(gè)內(nèi)核做個(gè)內(nèi)核做在同一晶片上，共享在同一晶片上，共享L2 cache，提高性價(jià)比，提高性價(jià)比 ?2個(gè)雙核晶片封裝在一起個(gè)雙核晶片封裝在一起揭開外殼后的揭開外殼后的Pentium D處理器處理器 成為成為4核處理器核處理器 ?4個(gè)個(gè)/6個(gè)內(nèi)核做在同一晶個(gè)內(nèi)核做在同一晶片上，共享片上，共享L3 cache共享的共享的L2 cache 2 x 奔騰雙核奔騰雙核E5000處理器處理器 （Core i7） 17 2.2