CPU的邏輯結構與原理學習教案

1、2.2 CPU的邏輯結構的邏輯結構(jigu)與工作原理與工作原理2.2.1 CPU的邏輯結構 2.2.2 指令(zhlng)與指令(zhlng)系統(tǒng)2.2.3 CPU的性能指標第1頁/共21頁第一頁，共22頁。2.2.1 CPU的邏輯(lu j)結構第2頁/共21頁第二頁，共22頁。馮諾依曼計算機的結構(jigu)與原理(1) 計算機的工作由程序控制，程序是一個指令(zhlng)序列，指令(zhlng)是能被計算機理解和執(zhí)行的操作命令；(2) 程序(指令(zhlng)和數據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(zhlng)和數據按地址進行存取 ；(4) 指令(zh

2、lng)是由CPU一條一條順序執(zhí)行的。中央中央(zhngyng)處理器處理器運算器和控制器運算器和控制器輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備存儲器存儲器第3頁/共21頁第三頁，共22頁?！按鎯?cn ch)程序控制” 原理 將問題(wnt)的解算步驟編制成為程序，程序連同它所處理的數據都用二進位表示并預先存放在存儲器中 程序運行時，CPU從內存中一條一條地取出指令和相應的數據，按指令操作碼的規(guī)定，對數據進行運算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止 CPU從內存中逐條從內存中逐條讀取該程序的指令及相讀取該程序的指令及相關關(xinggun)的數據的數據將指令的運算處理結果將指令的運算處理結果送回內存保存送回內

3、存保存任務完成后，將處理得任務完成后，將處理得到的全部結果成批傳送到外到的全部結果成批傳送到外存以長久保存存以長久保存外存儲器外存儲器內存儲器內存儲器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據該任務的程序和數據從外存成批傳送到內從外存成批傳送到內存存指令1指令2指令k指令n程序程序數據1數據2數據m數據數據CPU逐條執(zhí)逐條執(zhí)行指令行指令,按指令按指令要求完成對數要求完成對數據的運算和處據的運算和處理理第4頁/共21頁第四頁，共22頁。存儲器存儲器中央中央處理器處理器存儲數據存儲數據和指令和指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令處理數據處理數據指令，數據指令，數據處理結果處理結果CPU的任務(rn

4、wu) CPU的主要任務(rn wu)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對數據進行操作第5頁/共21頁第五頁，共22頁。指令(zhlng)是什么？ 指令就是命令，它用來(yn li)規(guī)定CPU執(zhí)行什么操作。指令是構成程序的基本單位，程序是由一連串指令組成的 指令采用二進位表示，大多數情況下，指令由兩個部分組成： 操作碼操作碼操操 作作 數數 地地 址址指出CPU應執(zhí)行何種操作的一個命令(mng lng)詞，例如加、減、乘、除、取數、存數等 指出該指令所操作(處理)的數據或者數據所在位置 舉例舉例: 10 02 06把把02存儲單元和存儲單元和06存儲單元中的內容存儲單元中的內容相加，和數保存在相加，和

5、數保存在02單元單元第6頁/共21頁第六頁，共22頁。CPU的結構(jigu)和任務 CPU主要由運算器、控制器和寄存器組3個部分組成 CPU的任務：取指令(zhlng)并完成指令(zhlng)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器指令計數器指令寄存器指令寄存器控制器數數 據據程序程序指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n數據數據1數據數據2數據數據m數據數據內存儲器內存儲器指指 令令 指令地址指令地址 操作數地址操作數地址存放存放(cnfng)待執(zhí)行指令待執(zhí)行指令的地址的地址已經啟動運已經啟動運行的程序和行的程序和數據數據存放待執(zhí)行的指令存放待執(zhí)行的指令并進

6、行譯碼并進行譯碼完成規(guī)定的運算完成規(guī)定的運算暫存等待處暫存等待處理的數據理的數據操作命令操作命令第7頁/共21頁第七頁，共22頁。內存儲器內存儲器AC927BALU0 1 2 3 4 5 6 7運算器(ALU)與通用寄存器(GPR) 運算器用來對數據進行各種算術(sunsh)或邏輯運算，所以稱為算術(sunsh)邏輯部件 (ALU)，參加ALU運算的操作數通常來自通用寄存器GPR ，運算結果也送回GPRSTORER1內存地址內存地址C例例3：存數指令：存數指令9例例2：加法指令：加法指令ADDR1R3R5(3寄存器內容與寄存器內容與5寄存器內容相加，并把和數寫入寄存器內容相加，并把和數寫入1寄

7、存器寄存器)例例1:取數指令取數指令LOADR3內存地址內存地址ALOADR5內存地址內存地址B27362793636通用寄存器通用寄存器GPR第8頁/共21頁第八頁，共22頁。2.2.2 指令(zhlng)與指令(zhlng)系統(tǒng)instruction setsoftwarehardware第9頁/共21頁第九頁，共22頁。指令(zhlng)及其格式 指令采用二進位表示，大多數情況下由兩個(lin )部分組成： 操作碼操作碼操操 作作 數數 地地 址址指出指出CPU應執(zhí)行何種操作的一個命令應執(zhí)行何種操作的一個命令(mng lng)詞，例如加、減、乘、除等詞，例如加、減、乘、除等 指出該指令所

8、操作指出該指令所操作(處理處理)的數據或者數據所在位置的數據或者數據所在位置 n指令的格式：指令的格式：n操作碼用幾位表示？操作碼用幾位表示？(多少種不同的操作功能多少種不同的操作功能)n操作數地址是操作數地址是2個還是個還是3個？個？nR1R3+R5 nR1R1-R3 ADDR1R3R5SUBR1R3第10頁/共21頁第十頁，共22頁。指令在計算機中的執(zhí)行(zhxng)過程1.取指令：CPU的控制器從存儲器讀取一條指令并放入指令寄存器2.指令譯碼：指令寄存器中的指令經過譯碼，決定(judng)該指令應進行何種操作、操作數在哪里3.執(zhí)行指令4.3.1 取操作數5.3.2 進行運算6.修改指令計

9、數器，決定(judng)下一條指令的地址1 取指令取指令4 修改修改(xigi)指指令計數器令計數器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)行周期問題：問題：CPU的時鐘頻率的時鐘頻率(主頻主頻)與與指令執(zhí)行速度是什么關系？指令執(zhí)行速度是什么關系？第11頁/共21頁第十一頁，共22頁。關于(guny)指令系統(tǒng)CPU可執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)，即它的機器語言指令應該簡單，簡單才能(cinng)提高速度!操作功能要簡單，不宜太多、太復雜指令的格式要統(tǒng)一：固定長度、統(tǒng)一分段操作數的來源要有限制：算術邏輯運算指令的操作數只能來自寄存器LOAD/STORE指令的操作數來自(

10、或送到)內存寄存器內存 內存寄存器Intel 奔騰處理器的指令系統(tǒng)由于歷史的原因，并不符合上述原則！第12頁/共21頁第十二頁，共22頁。關于指令(zhlng)的操作功能 指令系統(tǒng)(zh ln x tn)中的指令分成許多類，例如奔騰4處理器中共有七大類指令： 數據傳送類 算術運算類 邏輯運算類 移位操作類 位(位串)操作類 控制轉移類 輸入/輸出類等 每一類指令（如數據傳送類、算術運算類）又按照操作數的性質（如整數還是實數）、長度（16位、32位、64位、128位等）而區(qū)分為許多不同的指令，因此CPU往往有數以百計的不同的指令第13頁/共21頁第十三頁，共22頁。關于奔騰4系列(xli)的指令

11、系統(tǒng) 產品發(fā)展過程為：8088（8086）80286 8038680486 PentiumPentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔騰D奔騰至尊酷睿酷睿2 為解決軟件兼容性問題，采用“向下兼容方式”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。例如： Pentium比80386增加(zngji)了的80多條浮點指令， Pentium II比Pentium增加(zngji)了50多條處理多媒體信息的指令（Multimedia Extension，稱為MMX）， Pentium III比Pentium II增加(

12、zngji)了70條處理128位長操作數的流式單指令多數據指令(Streaming SIMD Extention,SSE) Pentium 4又比Pentium III 增加(zngji)了144條指令（稱為SSE2） 奔騰D 、奔騰至尊等又增加(zngji)了SSE3指令第14頁/共21頁第十四頁，共22頁。關于(guny)CPU的兼容性不同公司生產不同的CPU產品：Intel公司：Pentium系列、賽揚系列 、至強等AMD公司：獨龍、閃龍、炫龍等IBM公司：Power5、Power6等（蘋果的Macintosh使用）SUN公司：Ultra SPARC處理器HP公司： PA-RISC、It

13、anium 處理器同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：A計算機（使用新型號CPU）的程序不能在B計算機（使用老型號CPU）上運行， B計算機的程序卻能在A計算機上運行不同公司的不同CPU產品其指令系統(tǒng)不同，它們(t men)互相不兼容：A計算機的程序不能在B計算機上直接運行， B計算機的程序也不能在A計算機上直接運行互相兼容互相兼容第15頁/共21頁第十五頁，共22頁。2.2.3 CPU的性能指標第16頁/共21頁第十六頁，共22頁。如何衡量(hng ling)CPU的性能？計算機的性能主要表現(xiàn)在程序執(zhí)行速度的快慢，它由許多因素決定，例如CPU、內存、硬盤、顯卡等，但通常CPU是主要

14、因素CPU性能高低的主要指標(zhbio)是CPU的速度，有2種衡量方法：計算每秒鐘可執(zhí)行的指令數目（單位：MIPS、MFLOPS）使用常用軟件（辦公軟件、數字媒體處理軟件和3D游戲等）的執(zhí)行速度來衡量CPU的性能 第17頁/共21頁第十七頁，共22頁。影響CPU性能(xngnng)的主要因素(之一) CPU的字長（位數） 目前PC使用的CPU大多是32位處理器，新一代的PC機將使用64位處理器 主頻（CPU時鐘頻率） 主頻提高，CPU的處理速度通常也會加快( ji kui) CPU總線（前端總線）的速度 CPU總線速度決定了CPU與內存間數據傳輸速度的快慢 高速緩存（cache）的容量與結構

15、 cache容量越大、級數越多，其效用就越顯著 第18頁/共21頁第十八頁，共22頁。影響CPU性能(xngnng)的主要因素(之二) CPU的指令系統(tǒng) 指令的格式和功能會影響程序的執(zhí)行速度 CPU的邏輯結構 CPU包含的定點運算器和浮點運算器數目 是否流水線結構，流水線的條數和級數 有無指令預測和數據預測功能 是否具有數字信號處理功能 是否多核，有幾個( j )內核 第19頁/共21頁第十九頁，共22頁。主頻（CPU時鐘(shzhng)頻率）主頻（CPU內部的時鐘(shzhng)頻率）外屏（系統(tǒng)總線的頻率）倍頻（主頻/外頻）第20頁/共21頁第二十頁，共22頁。感謝您的觀看(gunkn)！第21頁/共21頁第二十一頁，共2