第2章22 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理

1、2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)與工作原理與工作原理2.2.1 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu) 2.2.2 指令與指令系統(tǒng)指令與指令系統(tǒng)2.2.3 CPU的性能指標的性能指標22.2.1 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)3馮馮諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)與原理諾依曼計算機的結(jié)構(gòu)與原理(1) 計算機的工作由程序控制，程序是一個指令序列，指令是能被計計算機的工作由程序控制，程序是一個指令序列，指令是能被計算機理解和執(zhí)行的操作命令；算機理解和執(zhí)行的操作命令；(2) 程序程序(指令指令)和數(shù)據(jù)均以二進制編碼表示，均存放在存儲器中和數(shù)據(jù)均以二進制編碼表示，均存放在存儲器中；(3) 存儲器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進行存取存

2、儲器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進行存取 ；(4) 指令是由指令是由CPU一條一條順序執(zhí)行的。一條一條順序執(zhí)行的。中央中央處理器處理器運算器和控制器運算器和控制器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備存儲器存儲器4“存儲程序控制存儲程序控制” 原理原理n將問題的解算步驟編制成為將問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)都用二進位表示二進位表示并并預先預先存放在存儲器存放在存儲器中中n程序運行時，程序運行時，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應的從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應的數(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，對數(shù)據(jù)進行運算處理，直到，對數(shù)據(jù)進

3、行運算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止程序執(zhí)行完畢為止 CPU從內(nèi)存中逐條從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)將指令的運算處理將指令的運算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存結(jié)果送回內(nèi)存保存任務完成后，將處任務完成后，將處理得到的全部結(jié)果成理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長久批傳送到外存以長久保存保存外存儲器外存儲器內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器CPU任務啟動時，執(zhí)行任務啟動時，執(zhí)行該任務的程序和數(shù)據(jù)該任務的程序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內(nèi)從外存成批傳送到內(nèi)存存指令1指令2指令k指令n程序程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CPU逐條逐條執(zhí)行指令執(zhí)行指令,按按指 令 要 求 完指 令 要 求 完成 對 數(shù)

4、據(jù) 的成 對 數(shù) 據(jù) 的運算和處理運算和處理5存儲器存儲器中央中央處理器處理器存儲數(shù)據(jù)存儲數(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)指令，數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果處理結(jié)果CPU的任務的任務nCPU的主要任務是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對的主要任務是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對數(shù)據(jù)進行操作數(shù)據(jù)進行操作6指令是什么？指令是什么？n指令就是命令，它用來規(guī)定指令就是命令，它用來規(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，程序是由一連串指令組成的n指令采用二進位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個部分組指令采用二進位表示，大多數(shù)情況下，指令

5、由兩個部分組成：成： 操作碼操作碼操操 作作 數(shù)數(shù) 地地 址址指出CPU應執(zhí)行何種操作的一個命令詞，例如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等 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存儲單元和存儲單元和06存儲單元中的內(nèi)存儲單元中的內(nèi)容相加，和數(shù)保存在容相加，和數(shù)保存在02單元單元7CPU的結(jié)構(gòu)和任務的結(jié)構(gòu)和任務nCPU主要由運算器、控制器和寄存器組主要由運算器、控制器和寄存器組3個部分組成個部分組成nCPU的任務：取指令并完成指令所規(guī)定的操作的任務：取指令并完成指令所規(guī)定的操作寄寄存存器器組組運運算算器器中央處理器中央處理器指令計數(shù)器指令計數(shù)器指令寄存器指

6、令寄存器控制器數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)程序程序指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器指指 令令 指令地址指令地址 操作數(shù)地址操作數(shù)地址存放待執(zhí)行存放待執(zhí)行指令的地址指令的地址已經(jīng)啟動運已經(jīng)啟動運行的程序和行的程序和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存放待執(zhí)行的存放待執(zhí)行的指令并進行譯指令并進行譯碼碼完成規(guī)定的運完成規(guī)定的運算算暫存等待處暫存等待處理的數(shù)據(jù)理的數(shù)據(jù)操作命令操作命令8內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器AC927BALU0 1 2 3 4 5 6 7運算器運算器(ALU)與通用寄存器與通用寄存器(GPR)n運算器用來對數(shù)據(jù)進行各種算術(shù)或邏輯運算，所以稱為算術(shù)邏運算器用來對數(shù)據(jù)進行各種算

7、術(shù)或邏輯運算，所以稱為算術(shù)邏輯部件輯部件 (ALU)，參加參加ALU運算的操作數(shù)通常來自通用寄存器運算的操作數(shù)通常來自通用寄存器GPR ，運算結(jié)果也送回運算結(jié)果也送回GPRSTORER1內(nèi)存地址內(nèi)存地址C例例3：存數(shù)指令：存數(shù)指令9例例2：加法指令：加法指令ADDR1R3R5(3寄存器內(nèi)容與寄存器內(nèi)容與5寄存器內(nèi)容相寄存器內(nèi)容相加，并把和數(shù)寫入加，并把和數(shù)寫入1寄存器寄存器)例例1:取數(shù)指令取數(shù)指令LOADR3內(nèi)存地址內(nèi)存地址ALOADR5內(nèi)存地址內(nèi)存地址B27362793636通用寄存器通用寄存器GPR92.2.2 指令與指令系統(tǒng)指令與指令系統(tǒng)instruction setsoftwareh

8、ardware10指令及其格式指令及其格式n指令采用二進位表示，大多數(shù)情況下由兩個部分組成：指令采用二進位表示，大多數(shù)情況下由兩個部分組成： 操作碼操作碼操操 作作 數(shù)數(shù) 地地 址址指出指出CPU應執(zhí)行何種操作的一個命應執(zhí)行何種操作的一個命令詞，例如加、減、乘、除等令詞，例如加、減、乘、除等 指出該指令所操作指出該指令所操作(處理處理)的的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置 n指令的格式：指令的格式：n操作碼有幾位？操作碼有幾位？(決定有多少種不同的操作決定有多少種不同的操作)n操作數(shù)地址是操作數(shù)地址是2個還是個還是3個？個？nR1R3+R5 （三地址）（三地址）nR1R1-R3 （二地

9、址）（二地址）n如何指出內(nèi)存地址？如何指出內(nèi)存地址？(尋址方式尋址方式)n指令長度是多少位，固定長度指令長度是多少位，固定長度/可變長度？可變長度？ADDR1R3R5SUBR1R311指令在計算機中的執(zhí)行過程指令在計算機中的執(zhí)行過程n取指令取指令：CPU的控制器從的控制器從存儲器讀取一條指令并放存儲器讀取一條指令并放入指令寄存器入指令寄存器n指令譯碼指令譯碼：指令寄存器中：指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應進行何種操作、操指令應進行何種操作、操作數(shù)在哪里作數(shù)在哪里n執(zhí)行指令執(zhí)行指令3.1 取操作數(shù)取操作數(shù)3.2 進行運算進行運算n修改指令計數(shù)器修改指令計數(shù)器，決定下

10、，決定下一條指令的地址一條指令的地址1 取指令取指令4 修改指修改指令計數(shù)器令計數(shù)器3 執(zhí)行指令執(zhí)行指令2 指令譯碼指令譯碼指令執(zhí)行周期指令執(zhí)行周期通常，每一步需要通常，每一步需要1個或幾個時個或幾個時鐘周期才能完成鐘周期才能完成 12關(guān)于指令系統(tǒng)關(guān)于指令系統(tǒng)nCPU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)，即它的機器語言即它的機器語言n指令應該簡單，簡單才能提高速度指令應該簡單，簡單才能提高速度(RISC)!n操作功能要簡單，不宜太多、太復雜操作功能要簡單，不宜太多、太復雜n指令的格式要統(tǒng)一：固定長度、統(tǒng)一分段指令的格式要統(tǒng)一：固定長度、統(tǒng)一分段n操作數(shù)的來源

11、要有限制：操作數(shù)的來源要有限制：n算術(shù)邏輯運算指令的操作數(shù)只能來自寄存器算術(shù)邏輯運算指令的操作數(shù)只能來自寄存器nLOAD/STORE指令的操作數(shù)來自指令的操作數(shù)來自(或送到或送到)內(nèi)存內(nèi)存寄存器寄存器內(nèi)存內(nèi)存 內(nèi)存內(nèi)存寄存器寄存器1.ARM處理器符合上述要求，處理器符合上述要求， Intel 處理器由于歷處理器由于歷史的原因，并不符合上述原則！史的原因，并不符合上述原則！13關(guān)于指令的操作功能關(guān)于指令的操作功能n指令系統(tǒng)中的指令分成許多類，例如指令系統(tǒng)中的指令分成許多類，例如Intel公司的公司的奔騰奔騰和酷睿處理器中，共有七大類指令和酷睿處理器中，共有七大類指令：n數(shù)據(jù)傳送類數(shù)據(jù)傳送類 算術(shù)

12、運算類算術(shù)運算類n邏輯運算類邏輯運算類 移位操作類移位操作類n位位(位串位串)操作類操作類 控制轉(zhuǎn)移類控制轉(zhuǎn)移類n輸入輸入/輸出類等輸出類等n每一類指令（如數(shù)據(jù)傳送類、算術(shù)運算類）又按照操每一類指令（如數(shù)據(jù)傳送類、算術(shù)運算類）又按照操作數(shù)的性質(zhì)（如整數(shù)還是實數(shù)）、長度（作數(shù)的性質(zhì)（如整數(shù)還是實數(shù)）、長度（16位、位、32位、位、64位、位、128位等）而區(qū)分為許多不同的指令，因此位等）而區(qū)分為許多不同的指令，因此Intel公司公司CPU有數(shù)以百計的不同的指令有數(shù)以百計的不同的指令14關(guān)于關(guān)于Intel公司公司CPU的指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)n產(chǎn)品發(fā)展過程為：產(chǎn)品發(fā)展過程為：8088（8086）802

13、86 8038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔騰奔騰D 奔騰至尊奔騰至尊 酷?？犷?酷?？犷? Core i3/ i5/ i7 n為解決軟件兼容性問題，采用為解決軟件兼容性問題，采用“向下兼容方式向下兼容方式”開發(fā)新的處理器，即所有開發(fā)新的處理器，即所有新處理器均保留老處理器的全部指令，同時還擴充功能更強的新指令。例新處理器均保留老處理器的全部指令，同時還擴充功能更強的新指令。例如：如：nPentium比比80386增加了的增加了的80多條浮點指令，多條浮點指令，nPentium II比比Pentium增加

14、了增加了50多條處理多媒體信息的指令（多條處理多媒體信息的指令（Multimedia Extension，稱為稱為MMX），），nPentium III比比Pentium II增加了增加了70條處理條處理128位長操作數(shù)的流式單指令多數(shù)位長操作數(shù)的流式單指令多數(shù)據(jù)指令據(jù)指令( (Streaming SIMD Extention, ,SSE) )nPentium 4又比又比Pentium III 增加了增加了144條指令（稱為條指令（稱為SSE2）n奔騰奔騰D 、奔騰至尊、酷睿奔騰至尊、酷睿2等又增加了等又增加了13條條SSE3指令指令nCore i5和和Core i7又增加了又增加了40多條多

15、條SSE4指令指令 15關(guān)于關(guān)于CPU的兼容性的兼容性n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：nIntel公司：奔騰、賽揚公司：奔騰、賽揚 、酷睿、靈動等、酷睿、靈動等nAMD公司：獨龍、閃龍、炫龍等公司：獨龍、閃龍、炫龍等nIBM公司：公司：Power5、6、7等等nSUN公司：公司：Ultra SPARC處理器處理器n英國英國ARM公司：公司： ARM 處理器處理器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計算機（使用新型號計算機（使用新型號CPU）的程序不能在）的程序不能在B計算機（使用老計算機（使用老型號

16、型號CPU）上運行，）上運行， B計算機的程序卻能在計算機的程序卻能在A計算機上運行計算機上運行n平板電腦和智能手機與平板電腦和智能手機與PC不兼容！不兼容！互不兼容互不兼容A計算機的程序不能在計算機的程序不能在B上上直接運行，直接運行， B計算機的程計算機的程序也不能在序也不能在A上直接運行上直接運行互相兼容互相兼容162.2.3 CPU的性能指標的性能指標17CPU是一個超大規(guī)模集成電路是一個超大規(guī)模集成電路n能高速執(zhí)行指令，完成二進制能高速執(zhí)行指令，完成二進制數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯運算等數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯運算等操作操作n由數(shù)字電路組成，結(jié)構(gòu)極復雜由數(shù)字電路組成，結(jié)構(gòu)極復雜n制作在大規(guī)模集

17、成電路芯片上制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個平方厘米僅幾個平方厘米)，稱為，稱為“微微處理器處理器” (microprocessor)2000: Intel Pentium 4 Processor 42 million transistors，0.18 microns 工藝工藝18Intel公司公司CPU芯片的發(fā)展變化芯片的發(fā)展變化n30多年來其多年來其主要產(chǎn)品的發(fā)展過程主要產(chǎn)品的發(fā)展過程為：為：n8088（8086） 802868038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔騰系列奔騰系列賽揚系列賽揚系列（1星

18、級星級CPU）（2星級星級CPU）酷?？犷3系列系列（3星級星級CPU）酷?？犷5系列系列當前當前產(chǎn)品產(chǎn)品酷?？犷7系列系列（4星級星級CPU）（5星級星級CPU）19如何衡量如何衡量CPU的性能？的性能？n計算機的性能主要表現(xiàn)為程序執(zhí)行速度的快慢計算機的性能主要表現(xiàn)為程序執(zhí)行速度的快慢n計算機性能由許多因素決定，例如計算機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nCPU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：n計算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目計算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目

19、(單位：單位：MIPS、MFLOPS)n巨型計算機：巨型計算機：xx千萬億千萬億xx萬萬億次萬萬億次 基本運算基本運算/秒秒n個人計算機：幾千萬幾億次個人計算機：幾千萬幾億次 基本運算基本運算/秒秒（其中，基本運算指的是：四則運算和（其中，基本運算指的是：四則運算和，等邏輯運算）等邏輯運算）nPC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)的運行速度來測試的運行速度來測試CPU的性能，例如：的性能，例如：n游戲性能游戲性能測試程序測試程序: 3DMark1.整體綜合性能測試程序整體綜合性能測試程序: PCMark20影響影響CPU性能

20、的主要因素性能的主要因素n字長（位數(shù)）字長（位數(shù)）n指通用寄存器和定點運算器的寬度（即二進制整數(shù)運算的指通用寄存器和定點運算器的寬度（即二進制整數(shù)運算的位數(shù)）位數(shù)）n指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)n指令的類型、數(shù)目和功能等都會影響程序的執(zhí)行速度指令的類型、數(shù)目和功能等都會影響程序的執(zhí)行速度n邏輯結(jié)構(gòu)（微架構(gòu)）邏輯結(jié)構(gòu)（微架構(gòu)）nCPU包含的定點運算器和浮點運算器的數(shù)目、采用的流水包含的定點運算器和浮點運算器的數(shù)目、采用的流水線結(jié)構(gòu)和級數(shù)、指令分支預測的機制、執(zhí)行部件的數(shù)目等線結(jié)構(gòu)和級數(shù)、指令分支預測的機制、執(zhí)行部件的數(shù)目等n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) n主頻（主頻（CPU內(nèi)部

21、時鐘頻率）內(nèi)部時鐘頻率）n指指CPU芯片中電子線路（門、觸發(fā)器）的工作頻率，它決芯片中電子線路（門、觸發(fā)器）的工作頻率，它決定著定著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 n內(nèi)核數(shù)目：內(nèi)核數(shù)目：1個、個、2個、個、6個、個、8個甚至更多個甚至更多體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 邏邏輯輯實實現(xiàn)現(xiàn)物物理理實實現(xiàn)現(xiàn)211980 1990 2005 2010 20151980 1990 2005 2010 20154核核 80 x86 Pentium 80核核 雙核雙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頻提高主頻增加邏輯增加邏輯復雜度復雜度增加內(nèi)核數(shù)目增加

22、內(nèi)核數(shù)目雙核多核異構(gòu)的多核處理器性能與其邏輯復雜處理器性能與其邏輯復雜性的平方根成正比，若邏性的平方根成正比，若邏輯復雜性提高輯復雜性提高1倍，至多倍，至多能提高能提高40%的性能的性能最大瓶頸是散熱問題：最大瓶頸是散熱問題： 3.2GHz 的的Pentium 4功耗超過功耗超過100W，溫度達溫度達70度！度！ 主頻到主頻到4.0GHz，功耗會達到，功耗會達到150W！采用采用2個處理器構(gòu)成一個處理器構(gòu)成一個雙核處理器，可以個雙核處理器，可以提高提高70%80%的性的性能能電路與封裝技術(shù)的進電路與封裝技術(shù)的進步，能把多個處理器步，能把多個處理器做在單個芯片上做在單個芯片上1改進改進CPU結(jié)構(gòu)

23、；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22什么是雙核什么是雙核/四核處理器？四核處理器？揭開外殼后的揭開外殼后的Pentium D處理器處理器共享的共享的L2 cache2 x 奔騰雙核奔騰雙核E5000處理器處理器 n最初，單個最初，單個IC封裝封裝2個功能完個功能完全相同的處理器全相同的處理器(內(nèi)核內(nèi)核)n進一步發(fā)展為進一步發(fā)展為2個內(nèi)核做在同個內(nèi)核做在同一晶片上，共享一晶片上，共享L2 cache，提高性價比提高性價比n然后，然后，2個雙核晶片封裝在一個雙核晶片封裝在一起成為起成為4核處理器核處理器n現(xiàn)在，現(xiàn)在，4個個/6個內(nèi)核做在同一個內(nèi)

24、核做在同一晶片上，共享晶片上，共享L3 cache（Core i7/i5/i3 處理器）處理器）23Pipelining and Parallel ProcessingInstructionsResults aresequenced1. ”線程線程“排排隊等候進入隊等候進入CPU處理處理并行處理并行處理3. 每個每個CPU負責負責執(zhí)行分配給它的執(zhí)行分配給它的線程中的指令線程中的指令2. 哪一個哪一個CPU空閑，就把等空閑，就把等候的線程交給候的線程交給它執(zhí)行它執(zhí)行(包含包含3個內(nèi)核個內(nèi)核)為什么為什么“多核多核”可提高計算機性能可提高計算機性能（注：（注： 不嚴格地說，不嚴格地說， “線程線程

25、”可以理解為程序中可獨立且并發(fā)地可以理解為程序中可獨立且并發(fā)地 執(zhí)行的一串指令）執(zhí)行的一串指令）24小結(jié)：提高小結(jié)：提高CPU性能的措施性能的措施n擴展擴展CPU的字長：的字長：32位位 64位位 n擴充擴充CPU指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)：SSE指令指令n提高提高CPU主頻：從主頻：從1.5GHz 3GHz以上，目前最高以上，目前最高已經(jīng)接近已經(jīng)接近4GHz；n加快加快CPU前端總線的數(shù)據(jù)傳輸速率前端總線的數(shù)據(jù)傳輸速率n增大增大cache存儲器容量、增加存儲器容量、增加cache的級數(shù)的級數(shù)n改進改進CPU內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)n超標量結(jié)構(gòu)（多個執(zhí)行部件）超標量結(jié)構(gòu)（多個執(zhí)行部件）n指令流水線執(zhí)行技術(shù)指令流水線執(zhí)行技術(shù)n超線程技術(shù)超線程技術(shù)n采用多個內(nèi)核采用多個內(nèi)核 25片上系統(tǒng)（片上系統(tǒng)（SoC）n智能手機和平板電腦具有更好的便攜性和智能手機和平板電腦具有更好的便攜性和可用性，它們要求所使用的可用性，它們要求所使用的CPU功耗低，功耗低，續(xù)航時間長，體積小、功能豐富，成本低續(xù)航時間長，體積小、功能豐富，成本低廉。目前，絕大多數(shù)平板電腦和智能手機廉。目前，絕大多數(shù)平板電腦和智能手機使用的使用的CPU都是都是ARM處理器，這些處理器處理器，這些處理器內(nèi)核與存儲控制器、內(nèi)核與存儲控制器、I/O控制器