计算机硬件基础第2章.ppt

第二章 微处理器及其管理,微处理器的功能结构,控制单元：协调和控制出现在中央处理器单元中的所有操作，还与输入/输出设备进行通信。 算术/逻辑单元（ALU）：计算机的“计算器”，完成两种类型的操作。 算术操作：加、减、乘、除。 逻辑操作：比较操作。 寄存器：CPU内部存储运算数据和系统信息，相似于内存的单元，其速度更快以及使用方式不同。,CPU主要组成部分逻辑框图,ALU的逻辑符号,1对用户透明寄存器 这类寄存器对用户来说是不可访问的。它是在操作系统的作用下，在CPU中起着控制计算机操作的作用。对用户透明寄存器至少包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）等。 2可遍程寄存器 通用寄存器:存放数据，也可存放数据的地址 。 地址寄存器：存放地址，也称为地址指针寄存器。 标志寄存器：保存程序的运行状态，也称PSW寄存器。,寄存器,2.1.2 指令集（Instruction Set）,指令就是指控制计算机执行某种操作的命令，也称为机器指令。我们将一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统的设计是计算机系统设计中的一个核心问题。,图 指令周期,MOV CL, 10 MOV AH, AL ADD CL, 5,操作码与操作数 计算机指令中最主要的元素是操作码（Operation Code），它指明将要完成的操作的性质。,一台计算机指令系统的指令少则几十条，多则几百条。因此，不同类型的计算机，其硬件的功能差异很大，相应地，其指令系统的差别也很大。但无论其规模是大是小，一般都包含有如下的一些基本功能类型的指令。,（1）数据传送类指令 （2）算术运算类指令 （3）逻辑运算和 移位操作指令 （5）字符串操作指令 （6）程序控制转移类指令 （7）处理器控制类指令,指令的类型,CPU需要通过某个接口与主板连接的才能进行工作。CPU经过这么多年的发展，采用的接口方式有: 1.早期(Intel 386以前)的CPU引脚较少,大多直接焊接到主板上. 2.针脚式。目前CPU的接口都是针脚式接口，对应到主板上就有相应的插座类型(Socket)。 3.卡式接口。对应到主板上就有相应的插槽类型(Slot)。 CPU接口类型不同，在插孔数、体积、形状都有变化，所以不能互相接插。即使同一接口的CPU由于内核不同，电压不同等因素，也不一定就能在同一主板上使用。,CPU接口类型,微处理器,SLOT 1 SLOT 1是英特尔公司为取代Socket 7而开发的CPU接口，并申请的专利。这样其它厂商就无法生产SLOT 1接口的产品。SLOT1接口的CPU不再是大家熟悉的方方正正的样子，而是变成了扁平的长方体，而且接口也变成了金手指，不再是插针形式。,Intel CPU 技术结构,提高制作工艺 改进CPU的系统结构，使CPU工作流程更合理，提高单位时间内的执行效率,CPU BUS,EU BIU BUS,并行工作方式，流水线作业方式,指令流水线（Instructions Pipeline）是一种能够供多条指令重叠操作的处理器技术，是现代处理器设计中最为关键的技术之一。,2.2.2 指令流水线,(a) 四阶段流水线,(b) 四阶段流水线时间重叠情况,超标量（super scalar）处理机采用资源重复的并行性思想，设置多条指令流水线和多个功能部件。每个周期发送多条指令同时并行地对多条指令进行流水线处理。,2.2.3 Pentium超标量技术,三发射超标量流水线,为了提高处理器的并行处理能力 乱序执行(out of order execution)：处理器将多条指令不按程序规定的顺序，而按实际情况分发各相应单元进行处理，而执行结果重新按原程序的指令顺序排列后返回程序。 分支预测(branch prediction)和推测(speculation execution)执行：在指令结果出来之前，预测指令是否产生分支转移，并推测执行。采用转移目标缓冲存储器（Branch Target Buffer，BTB)保存最近转移指令的相关历史记录。,2.2.4 Pentium动态执行技术,复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）是随着计算机科学和微电子等相关学科的发展，为满足实际应用的需要，同时照顾到计算机兼容性等诸多因素而出现的。并且，由于微处理器的功能越来越强，所以它的结构也越来越复杂。,2.3 复杂指令系统计算机和精简指令计算机,典型CISC处理器结构,采用RISC技术可以简化指令系统的设计，适合超大规模集成电路的实现，可以提高机器的执行速度和效率，降低设计成本，提高系统的可靠性等等。RISC技术在某些领域取得的令人瞩目的成就，对CISC技术构成了强有力的冲击。各具特色的RISC芯片不断涌现，并在许多领域已显示出其固有的优势，可以说RISC技术极具生命力。,RISC处理器的结构,精简指令条数，但必须优化编译程序 规范指令格式，指令长度一致 简化寻址方式，面向寄存器操作，缓解主存带宽压力。 优化指令流水线技术,2.3.2 RISC技术要点,操作数寻址方式，就是形成操作数有效地址的方法。,直接寻址方式示意图,(a) 一次间接寻址 (b) 二次间接寻址 间接寻址方式示意图,寄存器直接寻址方式 (b) 寄存器间接寻址方式 寄存器寻址方式示意图,但是，由于CISC技术历史悠久，技术成熟，兼容性能好，市场占有率高。因此我们决不能简单地说RISC一定比CISC好，RISC一定会取代CISC。相反，它们在激列的市场竞争中，相互取长补短，不断完善。现有许多处理器都使用相同的电路技术，兼有RISC和CISC的混合特征。因此，RSC和CISC体系结构间的的界限已变得相当模糊。,MMX（Multi Media Extension)技术：新增57条多媒体指令，采用64位“压缩整型数据”，实现单指令多数据（SIMD：single instruction multiple data）。,2.4 Pentium的多媒体和超线程技术,90年代以来，传统的32位整数和浮点指令集难以胜任大量的多媒体数据、互连网应用、2D/3D图形处理的需要。,新增70条SIMD指令，加快浮点运算能力，使游戏软件性能提高。 3D运算及动画处理、图形处理 多媒体应用中的音频、视频的编码和解码能力 语音识别及声音的压缩合成,2.4.2 Pentium 的SSE技术,SSE（streaming SIMD extension)技术：单指令多数据扩展。为克服MMX不能提高浮点运算缺点。,进程：多任务系统中，系统为不同任务生成一个程序的多个copy，这些同一任务的多个copy，就是进程。 多个进程共享一个CPU，但任一时刻一个CPU只有一个进程执行，多个进程按顺序轮流进入CPU执行，由于轮换时间短，从宏观上看，每一个进程都在运行。 系统要付出较大处理时间和存储空间保存切换时的进程信息，降低了系统性能。,2.4.3 超线程技术,HTT: Hyper-Threading Technology,线程：是进程内的基本调度和分配单位，只占用极少数资源（程序计数器、一组寄存器等） 线程是由进程进一步派生出来的一组指令的执行过程。,2.4.3 超线程技术,HTT: Hyper-Threading Technology,2.3 处理器实例1：奔腾处理器,奔腾（Pentium）处理器是1993年由美国的Intel公司推出。Pentium处理器是复杂指令集计算机（CISC）几十年来设计、努力的结晶，它采用了过去只有大型机和超级计算机才会采用的设计原则，是CISC体系结构的优秀典范。,1Pentium处理器的结构 Pentium处理器采用了全新的设计，由32位地址线和64位数据总线以及高性能浮点处理部件构成的高性能微处理器。 执行单元可以高速完成各种算术和逻辑运算。它包括两个整数ALU和一个浮点ALU，分别执行整数和浮点数的运算。,图2.21 Pentium处理器的内部结构示意图,2Pentium处理器的特点 Pentium处理器的结构虽然与80486及以前处理器的结构有很大改进，但是依然保持了与它们之间的兼容性。除此之外，Pentium处理器还具有一些新的特点。 （1）指令Cache与数据Cache分开，提高了计算机执行的并行性。 （2）采用了超标量技术，在处理器内部设计了两条指令流水线，U流水线和V流水线。,（3）浮点部件采用运算流水线结构，使Pentium处理器的速度是i486处理器速度的23倍。 （4）具有转移指令预测功能。通过转移目标缓冲器（Branch Target Buffer，BTB）来预测转移指令。,2.4 处理器实例2：Power PC处理器,Power PC是由IBM、Apple和Motorola三个公司联合开发，采用超标量的RISC体系结构的微处理器。Power PC系列包括601、603、604e、620、630、G3（740/750）和G4等。它主要是为具有较好软件兼容性的商业应用而设计的。,图2.22 Power PC 620结构框图,2.5 嵌入式微处理器,嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor）又称微控制器MCU（Micro Controller Unit）。它是以标准处理器为核心，将各种不同处理器或外围接口芯片进行二次集成而形成的高集成度处理器。它广泛应用于过程控制、工业控制、智能化仪器及仪表