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2.2.1CPU的結(jié)構(gòu)

2.2.2指令與指令系統(tǒng)2.2.3CPU的性能指標(biāo)2.2.1CPU的結(jié)構(gòu)“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(1)寄存器組：由十幾個(gè)甚至幾十個(gè)寄存器組成，用來(lái)臨時(shí)存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算得到的中間（或最后）的結(jié)果（2）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)（3）控制器：CPU的指揮中心。指令計(jì)數(shù)器：存放CPU正在執(zhí)行的指令的地址指令寄存器（IR）

指令譯碼器（ID）2.2.2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)行周期問(wèn)題：CPU的時(shí)鐘頻率(主頻)與指令執(zhí)行速度是什么關(guān)系？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)，例如奔騰4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)等關(guān)于奔騰4系列的指令系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展過(guò)程為：8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→Pentium

PRO→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→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。關(guān)于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(píng)果的Macintosh使用）SUN公司：UltraSPARC處理器HP公司：PA-RISC、Itanium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2.2.3CPU的性能指標(biāo)如何衡量CPU的性能？CPU性能高低的主要指標(biāo)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的性能影響CPU性能的主要因素(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

CPU中定點(diǎn)運(yùn)算器的寬度，也大體決定地址碼的位數(shù)（決定了CPU可訪問(wèn)的存儲(chǔ)器最大空間）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)cache容量越大、級(jí)數(shù)越多，其效用就越顯著影響CPU性能的主要因素(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)內(nèi)核······小結(jié)：Pentium4提高速度的措施擴(kuò)展CPU的字長(zhǎng)：64位存儲(chǔ)擴(kuò)展提高CPU的主頻：已經(jīng)從1.5GHz逐步提高到3GHz以上，目前最高已經(jīng)接近4GHz；加快CPU前端總線的數(shù)據(jù)傳輸速度：CPU總線寬度增加為64~128位CPU總線頻率從400MHz、533MHz提高到800MHz和1066MHz因此，傳輸速率也相應(yīng)地從3.2GB/s、4.3GB/s提高到6.4GB/s和8.6GB/s采用cache存儲(chǔ)器增大cache容量：L2cache