N计算机硬件技术基础第2章课件

1、N计算机硬件技术基础第2章上课公用信息邮箱：上面有讲课上课公用信息邮箱：上面有讲课PPTPPTEmail: Email: Password: tju101tju101Password: tju101tju101N计算机硬件技术基础第2章第第2 2章章 微处理器微处理器N计算机硬件技术基础第2章2.12.1节节 微处理器的基本知识微处理器的基本知识一、微处理器的发展历程一、微处理器的发展历程 （书上（书上 P26P26）1.Intel1.Intel公司的公司的CPUCPU是主流。是主流。2.2.字长：字长： 4 4位、位、8 8位、位、1616位位、3232位和位和6464位位N计算机硬件技术基

2、础第2章二、微处理器的组成二、微处理器的组成1.1.控制器控制器指令寄存器指令寄存器指令译玛器指令译玛器时序和逻辑控制单元时序和逻辑控制单元 主要功能就是取出指令，分析执行，并对个主要功能就是取出指令，分析执行，并对个主要部件进行运行控制。主要部件进行运行控制。注：程序计数器注：程序计数器PCPC是记录了是记录了当前执行位置当前执行位置小部件。小部件。N计算机硬件技术基础第2章2.2.运算器运算器( (Arithmetic Logic Unit ) Arithmetic Logic Unit ) 用于算术逻辑运算。算术运算用于处理数字，用于算术逻辑运算。算术运算用于处理数字，逻辑运算用于处理字

3、符。逻辑运算用于处理字符。3.3.寄存器：寄存器： 主要用于临时存放程序运行的各种中间数据。主要用于临时存放程序运行的各种中间数据。分为两大类。分为两大类。N计算机硬件技术基础第2章第一类第一类用户不可以访问用户不可以访问的寄存器的寄存器 称为内部专用寄存器。对用户透明的。称为内部专用寄存器。对用户透明的。 例如：指令寄存器，专门用于存放取出的指例如：指令寄存器，专门用于存放取出的指令。它在内部工作，用户不可干预。令。它在内部工作，用户不可干预。第二类是第二类是用户可以访问用户可以访问寄存器寄存器 主要是通过编程来使用这些寄存器，又称主要是通过编程来使用这些寄存器，又称N计算机硬件技术基础第2

4、章 为可编程寄存器。以为可编程寄存器。以IntelIntel的的8086 CPU8086 CPU为例为例这些可编程寄存器还可以分为三大组。这些可编程寄存器还可以分为三大组。a.a.通用寄存器组通用寄存器组。 可以存放任何类型的临时数据。其中部分寄存可以存放任何类型的临时数据。其中部分寄存器在乘除运算充当关键角色。器在乘除运算充当关键角色。 N计算机硬件技术基础第2章b.b.地址寄存器地址寄存器 除了可以存放临时数据，其中部分寄存器可以除了可以存放临时数据，其中部分寄存器可以存放地址用于指令的寻址操作。存放地址用于指令的寻址操作。c.c.标志寄存器标志寄存器 （Flag Register)Fla

5、g Register) 用于保存程序的各种运行状态。（例：溢出）用于保存程序的各种运行状态。（例：溢出） 又称为又称为Program Status WordProgram Status Word，状态寄存器。，状态寄存器。N计算机硬件技术基础第2章注：注：80868086CPU CPU 一共有一共有1414个用户可访问的寄存器。个用户可访问的寄存器。N计算机硬件技术基础第2章三、三、8086 8086 CPU CPU 的内部结构的内部结构1.1.从功能上分为两个部件。从功能上分为两个部件。执行单元（执行单元（Executing Unit)Executing Unit) 主要指令的分析主要指令的

6、分析，运算执行。运算执行。总线接口单元总线接口单元( (Bus Interface Unit)Bus Interface Unit) 主要负责与外部进行数据交换。主要负责与外部进行数据交换。详见：详见：P29 P29 图图2.2.1 8086 CPU 1 8086 CPU 内部结构框图内部结构框图N计算机硬件技术基础第2章四、微处理器的工作模式四、微处理器的工作模式8086/8088的硬件工作模式的硬件工作模式 这是指硬件工作模式。由引脚跳线决定。这是指硬件工作模式。由引脚跳线决定。 最小模式：最小模式： 单单CPUCPU模式模式最大模式：最大模式： 多多CPUCPU模式。模式。注：注：多多C

7、PUCPU模式主要是用来增加协处理器模式主要是用来增加协处理器N计算机硬件技术基础第2章2. 80862. 8086及以上的软件工作模式及以上的软件工作模式 80868086只有实模式只有实模式 80286 80286有实模式和保护模式两种有实模式和保护模式两种 80386 80386有实模式、保护模式和虚拟有实模式、保护模式和虚拟8686三种三种注：引进不同模式主要是注：引进不同模式主要是CPUCPU构造特别是地址线构造特别是地址线引脚数量的变化。引脚数量的变化。 模式用软件切换。模式用软件切换。N计算机硬件技术基础第2章补充：补充： 8086 8086与与80888088区别区别外部数据总

8、线宽度。外部数据总线宽度。a.8086 16a.8086 16位数据总线宽：位数据总线宽： D15 D0D15 D0b.8088 8b.8088 8位数据总线宽：位数据总线宽： D7 D0D7 D0总线接口单元总线接口单元BIUBIU中指令队列长度不同。中指令队列长度不同。a. 8086 6a. 8086 6字节字节b. 8088 4b. 8088 4字节字节N计算机硬件技术基础第2章五、微处理器的指令系统五、微处理器的指令系统1.1.定义定义 指令就是指令就是指控制计算机执行某种操作的命令指控制计算机执行某种操作的命令，也称为机器指令。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，

9、称我们将一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的为这台计算机的指令系统指令系统。N计算机硬件技术基础第2章2.2.指令助记符。指令助记符。. . 最早的指令用二进制代码来表示。最早的指令用二进制代码来表示。. . 后来用简单的英文缩写来表示。后来用简单的英文缩写来表示。注：两者之间的关系，类似于注：两者之间的关系，类似于InternetInternet的的IPIP地址地址和域名关系。和域名关系。N计算机硬件技术基础第2章3.3.指令操作码和操作数指令操作码和操作数指令有一个操作码和指令有一个操作码和若干个若干个操作数组成。操作数组成。例如：例如： ADD AX,1234HADD AX,

10、1234H. .操作码表示完成的动作功能。用助记符表示。操作码表示完成的动作功能。用助记符表示。这里这里ADDADD表示做加法。表示做加法。. .操作数表示动作的对象。这里有两个操作数表示动作的对象。这里有两个N计算机硬件技术基础第2章(a)(a)源操作数：源操作数：12341234H H只提供参与运算的数据来源只提供参与运算的数据来源( (b)b)目的操作数：目的操作数：AX AX 目的操作数除了参与运算以外，还负责保存目的操作数除了参与运算以外，还负责保存运算结果。运算结果。 AX + 1234 AX + 1234 AX AX（目的操作数）目的操作数）N计算机硬件技术基础第2章4.4.指令

11、的分类（指令的分类（ 详细见书上详细见书上P31-P35P31-P35数据传送指令数据传送指令算术运算指令算术运算指令逻辑运算和移位指令逻辑运算和移位指令字符串操作指令字符串操作指令控制转移指令控制转移指令处理器控制指令处理器控制指令N计算机硬件技术基础第2章六、微处理器的转接口六、微处理器的转接口( (Socket)Socket)1.1.Socket370 Socket370 奔腾奔腾( (P3 )P3 )2.2.Socket478 Socket478 奔腾奔腾(P4)(P4)3.3.LGA775LGA775 （Socket T Socket T ）P4P4，P4EEP4EE，Celeron

12、 DCeleron D4.4.LGA1156 LGA1156 （Socket HSocket H）CoreCore，Core2Core2 N计算机硬件技术基础第2章2.22.2节节 微处理器技术微处理器技术一、流水线技术一、流水线技术. .指令流水线（指令流水线（Instructions PipelineInstructions Pipeline） 将指令的执行过程分为将指令的执行过程分为可独立执行的多个子可独立执行的多个子过程过程，各个子过程都可以在一个专门的操作部件，各个子过程都可以在一个专门的操作部件上完成，各个部件可以上完成，各个部件可以同时工作同时工作。（并行概念）。（并行概念）.

13、.指令流水线结构图（指令流水线结构图（P41 P41 图图2.12.13 3) )N计算机硬件技术基础第2章早期的早期的CPUCPU指令的顺序执行指令的顺序执行N计算机硬件技术基础第2章重叠进行的取指令和执行操作重叠进行的取指令和执行操作N计算机硬件技术基础第2章二、动态执行技术二、动态执行技术 指提高并行处理能力的一系列技术总称。指提高并行处理能力的一系列技术总称。. .乱序执行（乱序执行（out-of-order executionout-of-order execution）是指是指CPUCPU允许将多条指令不按程序规定的顺序，允许将多条指令不按程序规定的顺序，而是而是按系统实际情况按系

14、统实际情况。分开发送给各相应电路单。分开发送给各相应电路单元处理的技术。它元处理的技术。它将能提前执行的指令立即发送将能提前执行的指令立即发送给相应电路单元执行给相应电路单元执行，在这期间不按规定顺序执，在这期间不按规定顺序执行指令，然后重新将各执行单元结果按指令顺序行指令，然后重新将各执行单元结果按指令顺序重新排列。重新排列。（注：这和考试中先做会做的题目极其相似）（注：这和考试中先做会做的题目极其相似）N计算机硬件技术基础第2章2.2.分枝预测和推测执行技术分枝预测和推测执行技术分支预测（分支预测（Branch Prediction)Branch Prediction)指在指在指令结果出来

15、前预测指令是否产生分支转移指令结果出来前预测指令是否产生分支转移。推测执行推测执行( ( Speculation Execution)Speculation Execution)指在分支预测后，进行的指在分支预测后，进行的推测执行推测执行。注：预测执行的本质是避免流水线空闲。假如预注：预测执行的本质是避免流水线空闲。假如预测错误，需要额外几个时钟周期刷新流水线。测错误，需要额外几个时钟周期刷新流水线。N计算机硬件技术基础第2章三、多内核技术三、多内核技术多内核是指在一枚处理器中集成两个或多个多内核是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算核心完整的计算核心注注1： 实际上不是想象中的把多个核心

16、封装在一实际上不是想象中的把多个核心封装在一起那么简单。因为这多个核心之间要交换信起那么简单。因为这多个核心之间要交换信息，而不是完全相互独立隔绝的。这就涉及息，而不是完全相互独立隔绝的。这就涉及到最致命的到最致命的内部总线公用问题。内部总线公用问题。N计算机硬件技术基础第2章四、多媒体和超线程技术四、多媒体和超线程技术1.MMX1.MMX技术技术( (Multi Media Extension)Multi Media Extension)针对针对windowswindows图形界面的兴起，增加了图形界面的兴起，增加了5757条多条多媒体指令。媒体指令。其关键技术是其关键技术是单指令多数据单指

17、令多数据。适合处理图形的。适合处理图形的填充处理。填充处理。N计算机硬件技术基础第2章2 2、SSESSE技术技术单指令多数据的扩展。单指令多数据的扩展。（Streaming Single instruction multiple Streaming Single instruction multiple data-Extensions)data-Extensions)在在MMXMMX基础上增加了基础上增加了7070条指令条指令。增加了指令用于图形图像处理的浮点运算操作。增加了指令用于图形图像处理的浮点运算操作。主要是为了主要是为了3 3D D动画。动画。N计算机硬件技术基础第2章使得多媒体信

18、号的软件解压缩码成为可能。使得多媒体信号的软件解压缩码成为可能。注：在这个之前，处理声音、视频信号都需要硬注：在这个之前，处理声音、视频信号都需要硬件来完成的。件来完成的。SSE2,SSE3SSE2,SSE3和和SSE4SSE4N计算机硬件技术基础第2章3. 超线程技术超线程技术定义：是一种利用特殊的硬件技术，将物理处定义：是一种利用特殊的硬件技术，将物理处理器分成逻辑处理器单元的技术。理器分成逻辑处理器单元的技术。 一个物理处理器，虚拟成两个处理内核。又称一个物理处理器，虚拟成两个处理内核。又称为逻辑双核处理器。为逻辑双核处理器。 N计算机硬件技术基础第2章进程与线程。进程与线程。a.a.进

19、程：进程： 当多个任务共同执行时，一个程序当多个任务共同执行时，一个程序按多任务按多任务进行组织进行组织。系统要为不同任务生成一个程序的。系统要为不同任务生成一个程序的多个拷贝。使得这些任务得以并行执行，这些多个拷贝。使得这些任务得以并行执行，这些任务的拷贝就是进程。任务的拷贝就是进程。N计算机硬件技术基础第2章注注1 1：进程是同一程序的不同体现，并且能并发：进程是同一程序的不同体现，并且能并发 执行。各进程间的指令是独立的。执行。各进程间的指令是独立的。注注2. 2. 进程是计算机系统中分配和管理资源的单进程是计算机系统中分配和管理资源的单 位。位。注注3. 3. 进程的特征进程的特征 书

20、上书上P45P45N计算机硬件技术基础第2章注注4 4： 每个进程都可以对系统资源（每个进程都可以对系统资源（CPUCPU，MEMMEM，IOIO）等支配。仿佛是独占的，称为）等支配。仿佛是独占的，称为进程虚拟机进程虚拟机。N计算机硬件技术基础第2章b. b. 线程线程注注1.1.进程内进程内的基本调度和分配单位。它是指可以的基本调度和分配单位。它是指可以 和其他和其他进程进程共享的资源。（共享的资源。（ActiveActive概念）概念）注注2 2：线程是进程：线程是进程共享共享的资源。的资源。原来是采用分时原来是采用分时 轮流使用的方式。轮流使用的方式。 N计算机硬件技术基础第2章. .超

21、线程超线程( (Hyper-Threading)Hyper-Threading)a. a. 超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把两超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把两个个逻辑内核逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用器都能使用并行计算，进而兼容多线程并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了操作系统和软件，减少了CPUCPU的闲置时间，提的闲置时间，提高高CPUCPU的运行效率。的运行效率。b. b. 超线程改变了线程分享概念，仿佛是独占了超线程改变了线程分享概念，仿佛是独占了 一个线程（一个线程（CPUCPU资源）。（逻辑独占）资源）。（逻辑独占

22、）N计算机硬件技术基础第2章c.c.超线程技术理论上，在一个超线程技术理论上，在一个CPUCPU内部可以像两内部可以像两颗颗CPUCPU一样在同一时间执行两个线程，一样在同一时间执行两个线程，P4P4处理处理器需要多加入一个器需要多加入一个Logical CPU PointerLogical CPU Pointer（逻逻辑处理单元指针）。辑处理单元指针）。 因此新的因此新的P4 P4 超线程超线程diedie的面积比老的的面积比老的P4P4增大了增大了5%5%。而其余部分如。而其余部分如ALUALU（整数运算单元）、整数运算单元）、FPUFPU（浮点运算单元）、浮点运算单元）、L2 Cache

23、L2 Cache（二级缓存）则二级缓存）则保持不变，这些部分是被保持不变，这些部分是被分享分享的。的。N计算机硬件技术基础第2章d.d.虽然采用超线程技术能同时执行两个线程，但虽然采用超线程技术能同时执行两个线程，但它并不象两个真正的它并不象两个真正的CPUCPU那样，每个那样，每个CPUCPU都具有都具有独立的资源。独立的资源。 当两个线程要同时需要某些共享的资源时，其当两个线程要同时需要某些共享的资源时，其中一个还是要暂停，并让出资源，直到这些资中一个还是要暂停，并让出资源，直到这些资源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等于两颗于两颗CPUCPU的

24、性能。的性能。N计算机硬件技术基础第2章五五、RISCRISC技术技术1.1.复杂指令集计算复杂指令集计算 CISCCISC（Complex Instruction Set ComputingComplex Instruction Set Computing）在在CISCCISC微处理器中，指令数量很多，编程很方微处理器中，指令数量很多，编程很方便。几乎每种想要的操作都有现成的指令可供便。几乎每种想要的操作都有现成的指令可供使用。一般的指令系统都有几百条指令。使用。一般的指令系统都有几百条指令。N计算机硬件技术基础第2章 CISCCISC特点特点a.a.指令代码长短不一致指令代码长短不一致。执

25、行时间周期也不一样执行时间周期也不一样。b.b.程序设计方便，相对比较短小，功能强大。程序设计方便，相对比较短小，功能强大。c.c.在在80%80%的工作情况下，只使用其中的工作情况下，只使用其中20%20%的指令。的指令。只在只在20%20%的情况下，才使用其余的情况下，才使用其余80%80%的指令。的指令。注：多流水线的出现，这个大小不一成了问题。注：多流水线的出现，这个大小不一成了问题。N计算机硬件技术基础第2章. .精简指令集计算精简指令集计算RISCRISC( (Reduced Instruction Set Computing)Reduced Instruction Set Com

26、puting)只使用占只使用占20%20%的使用率达的使用率达80%80%的常用指令。的常用指令。精简其余精简其余80%80%的不常用指令。的不常用指令。硬件简化，优化。硬件简化，优化。( (Intel CPUIntel CPU不是完全不是完全RISC)RISC)N计算机硬件技术基础第2章3 3、RISCRISC技术要点技术要点精简了指令数目。精简了指令数目。 用多条指令完成复杂指令的功能。用多条指令完成复杂指令的功能。统一指令的长度统一指令的长度 简化的译码，便于流水线操作。简化的译码，便于流水线操作。增加了寄存器数量增加了寄存器数量 简化了指令寻找操作数的寻址方式。简化了指令寻找操作数的寻址方式。N计算机硬件技术基础第2章优化了指令流水线技术。优化了指令流水线技术。 指令结构简单，指令长度固定，寻址方式简指令结构简单，指令长度固定，寻址方式简单，执行时间一致，为优化指令的流水线结构提单，执行时间一致，为优化指令的流水线结构提供了可能。供了可能。注：常用的注：常用的Intel CP