CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理學(xué)習(xí)教案

1、2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)(jigu)與工作原理與工作原理2.2.1 CPU的邏輯結(jié)構(gòu) 2.2.2 指令(zhlng)與指令(zhlng)系統(tǒng)2.2.3 CPU的性能指標(biāo)第1頁(yè)/共21頁(yè)第一頁(yè)，共22頁(yè)。2.2.1 CPU的邏輯(lu j)結(jié)構(gòu)第2頁(yè)/共21頁(yè)第二頁(yè)，共22頁(yè)。馮諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)(jigu)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(zhlng)序列，指令(zhlng)是能被計(jì)算機(jī)理解和執(zhí)行的操作命令；(2) 程序(指令(zhlng)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(zhlng)和數(shù)據(jù)按地址進(jìn)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(yùn)算器和控制器運(yùn)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(chǔ)器存儲(chǔ)器第3頁(yè)/共21頁(yè)第三頁(yè)，共22頁(yè)?！按鎯?chǔ)(cn ch)程序控制” 原理 將問(wèn)題(wnt)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 CPU從內(nèi)存中逐條從內(nèi)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(guān)關(guān)(xinggun)的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)將指令的運(yùn)算處理結(jié)果將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存送回內(nèi)

3、存保存任務(wù)完成后，將處理得任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到外到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長(zhǎng)久保存存以長(zhǎng)久保存外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器CPU任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)該任務(wù)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逐條執(zhí)逐條執(zhí)行指令行指令,按指令按指令要求完成對(duì)數(shù)要求完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處據(jù)的運(yùn)算和處理理第4頁(yè)/共21頁(yè)第四頁(yè)，共22頁(yè)。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器中央中央處理器處理器存儲(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)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(wù)(rn

4、wu) CPU的主要任務(wù)(rn wu)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作第5頁(yè)/共21頁(yè)第五頁(yè)，共22頁(yè)。指令(zhlng)是什么？ 指令就是命令，它用來(lái)(yn li)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： 操作碼操作碼操操 作作 數(shù)數(shù) 地地 址址指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)命令(mng lng)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(chǔ)單元和存儲(chǔ)單元和06存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容相加，和數(shù)保存在相加，和

5、數(shù)保存在02單元單元第6頁(yè)/共21頁(yè)第六頁(yè)，共22頁(yè)。CPU的結(jié)構(gòu)(jigu)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(zhlng)并完成指令(zhlng)所規(guī)定的操作寄寄存存器器組組運(yùn)運(yùn)算算器器中央處理器中央處理器指令計(jì)數(shù)器指令計(jì)數(shù)器指令寄存器指令寄存器控制器數(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(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器指指 令令 指令地址指令地址 操作數(shù)地址操作數(shù)地址存放存放(cnfng)待執(zhí)行指令待執(zhí)行指令的地址的地址已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行的程序和行的程序和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存放待執(zhí)行的指令存放待執(zhí)行的指令并進(jìn)

6、行譯碼并進(jìn)行譯碼完成規(guī)定的運(yùn)算完成規(guī)定的運(yùn)算暫存等待處暫存等待處理的數(shù)據(jù)理的數(shù)據(jù)操作命令操作命令第7頁(yè)/共21頁(yè)第七頁(yè)，共22頁(yè)。內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器AC927BALU0 1 2 3 4 5 6 7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)(sunsh)或邏輯運(yùn)算，所以稱為算術(shù)(sunsh)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A(yù)DDR1R3R5(3寄存器內(nèi)容與寄存器內(nèi)容與5寄存器內(nèi)容相加，并把和數(shù)寫入寄存器內(nèi)容相加，并把和數(shù)寫入1寄

7、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GPR第8頁(yè)/共21頁(yè)第八頁(yè)，共22頁(yè)。2.2.2 指令(zhlng)與指令(zhlng)系統(tǒng)instruction setsoftwarehardware第9頁(yè)/共21頁(yè)第九頁(yè)，共22頁(yè)。指令(zhlng)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)(lin )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(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)命令應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)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(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置的數(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(shù)地址是操作數(shù)地址是2個(gè)還是個(gè)還是3個(gè)？個(gè)？nR1R3+R5 nR1R1-R3 ADDR1R3R5SUBR1R3第10頁(yè)/共21頁(yè)第十頁(yè)，共22頁(yè)。指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行(zhxng)過(guò)程1.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2.指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過(guò)譯碼，決定(judng)該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作、操作數(shù)在哪里3.執(zhí)行指令4.3.1 取操作數(shù)5.3.2 進(jìn)行運(yùn)算6.修改指令計(jì)

9、數(shù)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(jì)數(shù)器令計(jì)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)行周期問(wèn)題：?jiǎn)栴}：CPU的時(shí)鐘頻率的時(shí)鐘頻率(主頻主頻)與與指令執(zhí)行速度是什么關(guān)系？指令執(zhí)行速度是什么關(guān)系？第11頁(yè)/共21頁(yè)第十一頁(yè)，共22頁(yè)。關(guān)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(jī)器語(yǔ)言指令應(yīng)該簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單才能(cinng)提高速度!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(

10、或送到)內(nèi)存寄存器內(nèi)存 內(nèi)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(yè)/共21頁(yè)第十二頁(yè)，共22頁(yè)。關(guān)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(shù)據(jù)傳送類 算術(shù)運(yùn)算類 邏輯運(yùn)算類 移位操作類 位(位串)操作類 控制轉(zhuǎn)移類 輸入/輸出類等 每一類指令（如數(shù)據(jù)傳送類、算術(shù)運(yùn)算類）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CPU往往有數(shù)以百計(jì)的不同的指令第13頁(yè)/共21頁(yè)第十三頁(yè)，共22頁(yè)。關(guān)于奔騰4系列(xli)的指令

11、系統(tǒng) 產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程為：8088（8086）80286 8038680486 PentiumPentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔騰D奔騰至尊酷?？犷? 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(zngji)了的80多條浮點(diǎn)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(zhǎng)操作數(shù)的流式單指令多數(shù)據(jù)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(yè)/共21頁(yè)第十四頁(yè)，共22頁(yè)。關(guān)于(guny)CPU的兼容性不同公司生產(chǎn)不同的CPU產(chǎn)品：Intel公司：Pentium系列、賽揚(yáng)系列 、至強(qiáng)等AMD公司：獨(dú)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(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)行不同公司的不同CPU產(chǎn)品其指令系統(tǒng)不同，它們(t men)互相不兼容：A計(jì)算機(jī)的程序不能在B計(jì)算機(jī)上直接運(yùn)行， B計(jì)算機(jī)的程序也不能在A計(jì)算機(jī)上直接運(yùn)行互相兼容互相兼容第15頁(yè)/共21頁(yè)第十五頁(yè)，共22頁(yè)。2.2.3 CPU的性能指標(biāo)第16頁(yè)/共21頁(yè)第十六頁(yè)，共22頁(yè)。如何衡量(hng ling)CPU的性能？計(jì)算機(jī)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(nèi)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(biāo)(zhbio)是CPU的速度，有2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）使用常用軟件（辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和3D游戲等）的執(zhí)行速度來(lái)衡量CPU的性能 第17頁(yè)/共21頁(yè)第十七頁(yè)，共22頁(yè)。影響CPU性能(xngnng)的主要因素(之一) CPU的字長(zhǎng)（位數(shù)） 目前PC使用的CPU大多是32位處理器，新一代的PC機(jī)將使用64位處理器 主頻（CPU時(shí)鐘頻率） 主頻提高，CPU的處理速度通常也會(huì)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(nèi)存間數(shù)據(jù)傳輸速度的快慢 高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu)

15、 cache容量越大、級(jí)數(shù)越多，其效用就越顯著 第18頁(yè)/共21頁(yè)第十八頁(yè)，共22頁(yè)。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(huì)影響程序的執(zhí)行速度 CPU的邏輯結(jié)構(gòu) CPU包含的定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器數(shù)目 是否流水線結(jié)構(gòu)，流水線的條數(shù)和級(jí)數(shù) 有無(wú)指令預(yù)測(cè)和數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)功能 是否具有數(shù)字信號(hào)處理功能 是否多核，有幾個(gè)( j )內(nèi)核 第19頁(yè)/共21頁(yè)第十九頁(yè)，共22頁(yè)。主頻（CPU時(shí)鐘(shzhng)頻率）主頻（CPU內(nèi)部的時(shí)鐘(shzhng)頻率）外屏（系統(tǒng)總線的頻率）倍頻（主頻/外頻）第20頁(yè)/共21頁(yè)第二十頁(yè)，共22頁(yè)。感謝您的觀看(gunkn)！第21頁(yè)/共21頁(yè)第二十一頁(yè)，共2