《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課件第2章2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理

2.2CPU的邏輯結(jié)構(gòu)

與工作原理2.2.1

CPU的邏輯結(jié)構(gòu)

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的邏輯結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理(1)計(jì)算機(jī)的工作由程序控制，程序是一個(gè)指令序列，指令是能被計(jì)算機(jī)理解和執(zhí)行的操作命令；(2)程序(指令)和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，均存放在存儲(chǔ)器中；(3)存儲(chǔ)器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進(jìn)行存取；(4)指令是由CPU一條一條順序執(zhí)行的。中央處理器運(yùn)算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器“存儲(chǔ)程序控制”原理將問(wèn)題的解算步驟編制成為程序，程序連同它所處理的數(shù)據(jù)都用二進(jìn)位表示并預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中程序運(yùn)行時(shí)，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止②CPU從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)④將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存⑤任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長(zhǎng)久保存外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器CPU①任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內(nèi)存指令1指令2指令k指令n程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)③CPU逐條執(zhí)行指令,按指令要求完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理存儲(chǔ)器中央處理器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果CPU的任務(wù)CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作指令是什么？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)成程序的基本單位，程序是由一連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)部分組成：操作碼操作數(shù)地址指出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:100206把02存儲(chǔ)單元和06存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容相加，和數(shù)保存在02單元CPU的結(jié)構(gòu)和任務(wù)CPU主要由運(yùn)算器、控制器和寄存器組3個(gè)部分組成CPU的任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作寄存器組運(yùn)算器中央處理器指令計(jì)數(shù)器指令寄存器控制器數(shù)據(jù)程序指令1指令2指令k指令n數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)內(nèi)存儲(chǔ)器指令

指令地址

操作數(shù)地址存放待執(zhí)行指令的地址已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)存放待執(zhí)行的指令并進(jìn)行譯碼完成規(guī)定的運(yùn)算暫存等待處理的數(shù)據(jù)操作命令~~~~內(nèi)存儲(chǔ)器AC927BALU01234567運(yùn)算器(ALU)與通用寄存器(GPR)運(yùn)算器用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)或邏輯運(yùn)算，所以稱(chēng)為算術(shù)邏輯部件(ALU)，參加ALU運(yùn)算的操作數(shù)通常來(lái)自通用寄存器GPR，運(yùn)算結(jié)果也送回GPRSTORER1內(nèi)存地址C例3：存數(shù)指令9例2：加法指令A(yù)DDR1R3R5(3＃寄存器內(nèi)容與5＃寄存器內(nèi)容相加，并把和數(shù)寫(xiě)入1＃寄存器)例1:取數(shù)指令LOADR3內(nèi)存地址ALOADR5內(nèi)存地址B27362793636通用寄存器GPR2.2.2指令與指令系統(tǒng)instructionsetsoftwarehardware指令及其格式指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下由兩個(gè)部分組成：操作碼操作數(shù)地址指出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)所在位置指令的格式：操作碼有幾位？(決定有多少種不同的操作)操作數(shù)地址是2個(gè)還是3個(gè)？R1

R3+R5（三地址）R1

R1-R3

（二地址）如何指出內(nèi)存地址？(尋址方式)指令長(zhǎng)度是多少位，固定長(zhǎng)度/可變長(zhǎng)度？ADDR1R3R5SUBR1R3指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過(guò)程取指令：CPU的控制器從存儲(chǔ)器讀取一條指令并放入指令寄存器指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作、操作數(shù)在哪里執(zhí)行指令3.1取操作數(shù)3.2進(jìn)行運(yùn)算修改指令計(jì)數(shù)器，決定下一條指令的地址1取指令4修改指令計(jì)數(shù)器3執(zhí)行指令2指令譯碼指令執(zhí)行周期通常，每一步需要1個(gè)或幾個(gè)時(shí)鐘周期才能完成關(guān)于指令系統(tǒng)CPU可執(zhí)行的全部指令稱(chēng)為該CPU的指令系統(tǒng)，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(RISC)!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LOAD/STORE指令的操作數(shù)來(lái)自(或送到)內(nèi)存寄存器

內(nèi)存內(nèi)存

寄存器ARM處理器符合上述要求，Intel處理器由于歷史的原因，并不符合上述原則！關(guān)于指令的操作功能指令系統(tǒng)中的指令分成許多類(lèi)，例如Intel公司的奔騰和酷睿處理器中，共有七大類(lèi)指令：數(shù)據(jù)傳送類(lèi) ■算術(shù)運(yùn)算類(lèi)邏輯運(yùn)算類(lèi) ■移位操作類(lèi)位(位串)操作類(lèi) ■控制轉(zhuǎn)移類(lèi)輸入/輸出類(lèi)等每一類(lèi)指令（如數(shù)據(jù)傳送類(lèi)、算術(shù)運(yùn)算類(lèi)）又按照操作數(shù)的性質(zhì)（如整數(shù)還是實(shí)數(shù)）、長(zhǎng)度（16位、32位、64位、128位等）而區(qū)分為許多不同的指令，因此Intel公司CPU有數(shù)以百計(jì)的不同的指令關(guān)于Intel公司CPU的指令系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程為：8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPRO→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→奔騰D→奔騰至尊→酷?！犷?→Corei3/i5/i7

為解決軟件兼容性問(wèn)題，采用“向下兼容方式”開(kāi)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(shí)還擴(kuò)充功能更強(qiáng)的新指令。例如：Pentium比80386增加了的80多條浮點(diǎn)指令，PentiumII比Pentium增加了50多條處理多媒體信息的指令（MultimediaExtension，稱(chēng)為MMX），PentiumIII比PentiumII增加了70條處理128位長(zhǎng)操作數(shù)的流式單指令多數(shù)據(jù)指令(StreamingSIMDExtention,SSE)Pentium4又比PentiumIII增加了144條指令（稱(chēng)為SSE2）奔騰D

、奔騰至尊、酷睿2等又增加了13條SSE3指令Corei5和Corei7又增加了40多條SSE4指令關(guān)于CPU的兼容性不同公司生產(chǎn)不同的CPU產(chǎn)品，一般互不兼容：Intel公司：奔騰、賽揚(yáng)、酷睿、靈動(dòng)等AMD公司：獨(dú)龍、閃龍、炫龍等IBM公司：Power5、6、7等SUN公司：UltraSPARC處理器英國(guó)ARM公司：ARM處理器同一公司同一系列的CPU具有向下兼容性：A計(jì)算機(jī)（使用新型號(hào)CPU）的程序不能在B計(jì)算機(jī)（使用老型號(hào)CPU）上運(yùn)行，B計(jì)算機(jī)的程序卻能在A計(jì)算機(jī)上運(yùn)行平板電腦和智能手機(jī)與PC不兼容！互不兼容A計(jì)算機(jī)的程序不能在B上直接運(yùn)行，B計(jì)算機(jī)的程序也不能在A上直接運(yùn)行互相兼容2.2.3

CPU的性能指標(biāo)CPU是一個(gè)超大規(guī)模集成電路能高速執(zhí)行指令，完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算等操作由數(shù)字電路組成，結(jié)構(gòu)極復(fù)雜制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個(gè)平方厘米)，稱(chēng)為“微處理器”(microprocessor)2000:Intel?Pentium?4Processor42milliontransistors，0.18microns工藝Intel公司CPU芯片的發(fā)展變化30多年來(lái)其主要產(chǎn)品的發(fā)展過(guò)程為：8088（8086）→80286→80386→80486→→Pentium→PentiumPRO→PentiumII→→PentiumIII→Pentium4→→奔騰系列賽揚(yáng)系列（1星級(jí)CPU）（2星級(jí)CPU）酷睿i3系列（3星級(jí)CPU）酷睿i5系列當(dāng)前產(chǎn)品酷睿i7系列（4星級(jí)CPU）（5星級(jí)CPU）如何衡量CPU的性能？計(jì)算機(jī)的性能主要表現(xiàn)為程序執(zhí)行速度的快慢計(jì)算機(jī)性能由許多因素決定，例如CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)、顯卡等，但通常CPU是主要因素CPU的性能高低主要表現(xiàn)為CPU的速度，有兩種衡量方法：計(jì)算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目(單位：MIPS、MFLOPS)巨型計(jì)算機(jī)：xx千萬(wàn)億～xx萬(wàn)萬(wàn)億次基本運(yùn)算/秒個(gè)人計(jì)算機(jī)：幾千萬(wàn)～幾億次基本運(yùn)算/秒（其中，基本運(yùn)算指的是：四則運(yùn)算和∧，∨等邏輯運(yùn)算）PC大多以常用軟件(辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和3D游戲等)的運(yùn)行速度來(lái)測(cè)試CPU的性能，例如：游戲性能測(cè)試程序:3DMark整體綜合性能測(cè)試程序:PCMark影響CPU性能的主要因素字長(zhǎng)（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)）指令系統(tǒng)指令的類(lèi)型、數(shù)目和功能等都會(huì)影響程序的執(zhí)行速度邏輯結(jié)構(gòu)（微架構(gòu)）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(xiàn)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)目等高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu)主頻（CPU內(nèi)部時(shí)鐘頻率）指CPU芯片中電子線(xiàn)路（門(mén)、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內(nèi)核數(shù)目：1個(gè)、2個(gè)、···、6個(gè)、8個(gè)甚至更多 體系結(jié)構(gòu)邏輯實(shí)現(xiàn)物理實(shí)現(xiàn)1980’1990’2005201020151980’1990’2005201020154核80x86Pentium

80核

雙核年代性能提高CPU性能的3大措施提高主頻增加邏輯復(fù)雜度增加核的數(shù)目雙核多核異構(gòu)的多核處理器性能與其邏輯復(fù)雜性的平方根成正比，若邏輯復(fù)雜性提高1倍，至多能提高40%的性能最大瓶頸是散熱問(wèn)題：

3.2GHz的Pentium

4功耗超過(guò)100W，溫度達(dá)70度！主頻到4.0GHz，功耗會(huì)達(dá)到150W！采用2個(gè)處理器構(gòu)成一個(gè)雙核處理器，可以提高70%～80%的性能電路與封裝技術(shù)的進(jìn)步，能把多個(gè)處理器做在單個(gè)芯片上1改進(jìn)CPU結(jié)構(gòu)；2提高IC速度(主頻)；3增加CPU(核)的數(shù)目什么是雙核/四核處理器？揭開(kāi)外殼后的PentiumD處理器共享的L2cache2x奔騰雙核E5000處理器

最初，單個(gè)IC封裝2個(gè)功能完全相同的處理器(內(nèi)核)進(jìn)一步發(fā)展為2個(gè)內(nèi)核做在同一晶片上，共享L2cache，提高性?xún)r(jià)比然后，2個(gè)雙核晶片封裝在一起成為4核處理器現(xiàn)在，4個(gè)/6個(gè)內(nèi)核做在同一晶片上，共享L3cache（Corei7/i5/i3處理器）PipeliningandParallelProcessingInstructionsResultsaresequenced1.”線(xiàn)程“排隊(duì)等候進(jìn)入CPU處理并行處理3.每個(gè)CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行分配給它的線(xiàn)程中的指令2.哪一個(gè)CPU空閑，就把等候的線(xiàn)程交給它執(zhí)行(包含3個(gè)內(nèi)核)為什么“多核”可提高計(jì)算機(jī)性能（注：不嚴(yán)格地說(shuō)，“線(xiàn)程”可以理解為程序中可獨(dú)立且并發(fā)地執(zhí)行的一串指令）小結(jié)：提高CPU性能的措施擴(kuò)展CPU的字長(zhǎng)：32位－>64位擴(kuò)充CPU指令系統(tǒng)：SSE指令提高CPU主頻：從1.5GHz－>3GHz以上，目前最高已經(jīng)接近4GHz；加快CPU前端總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率增大cache存儲(chǔ)器容量、增加cache的級(jí)數(shù)改進(jìn)CPU內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)（多個(gè)執(zhí)行部件）指令流水線(xiàn)執(zhí)行技術(shù)超線(xiàn)程技術(shù)采用多個(gè)CPU核片上系統(tǒng)（SoC）智能手機(jī)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CPU功耗低，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，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(jī)使用的CPU都是ARM處理器，這些處理器內(nèi)核與存儲(chǔ)控制器、I/O控制器以及其他一些協(xié)處理器集成在同一個(gè)芯片上，稱(chēng)為SoC（片上系統(tǒng)，也稱(chēng)為系統(tǒng)級(jí)芯片）華為Mate8智能手機(jī)的SoC芯片除包含8個(gè)CPU內(nèi)核之外，還包括BP（基帶處理器，即圖中的MODEM，負(fù)責(zé)通信）、GPU（圖形處理器）、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、ISP（圖像信號(hào)處理器，Camera模塊）、傳感器信號(hào)處理器i5等模塊華為麒麟970SoC芯片幾種高端智能手機(jī)SoC芯片的對(duì)比

SoC名稱(chēng)華為麒麟950華為麒麟970蘋(píng)果A11仿生高通驍龍845指令系統(tǒng)ARMv8-A（64位）CPU核：(個(gè)數(shù)x名稱(chēng))@主頻4xCortex-A72@2.3GHz4xCortex-A53@1.8GHz4xCo