第2章2.2CPU的逻辑结构与原理

1、2.2 CPU的逻辑结构的逻辑结构与工作原理与工作原理2.2.1 CPU的逻辑结构的逻辑结构 2.2.2 指令与指令系统指令与指令系统2.2.3 CPU的性能指标的性能指标22.2.1 CPU的逻辑结构的逻辑结构3冯冯诺依曼计算机的结构与原理诺依曼计算机的结构与原理(1) 计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；算机理解和执行的操作命令；(2) 程序程序(指令指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3) 存储器中存放的指令和数据按地址进行存取存

2、储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ；(4) 指令是由指令是由CPU一条一条顺序执行的。一条一条顺序执行的。中央中央处理器处理器运算器和控制器运算器和控制器输入设备输入设备输出设备输出设备存储器存储器4“存储程序控制存储程序控制” 原理原理n将问题的解算步骤编制成为将问题的解算步骤编制成为程序程序，程序连同它所处理的数，程序连同它所处理的数据都用据都用二进位表示二进位表示并并预先预先存放在存储器存放在存储器中中n程序运行时，程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，数据，按指令操作码的规定按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到，对数据进

3、行运算处理，直到程序执行完毕为止程序执行完毕为止 CPU从内存中逐条从内存中逐条读取该程序的指令及读取该程序的指令及相关的数据相关的数据将指令的运算处理将指令的运算处理结果送回内存保存结果送回内存保存任务完成后，将处任务完成后，将处理得到的全部结果成理得到的全部结果成批传送到外存以长久批传送到外存以长久保存保存外存储器外存储器内存储器内存储器CPU任务启动时，执行任务启动时，执行该任务的程序和数据该任务的程序和数据从外存成批传送到内从外存成批传送到内存存指令1指令2指令k指令n程序程序数据1数据2数据m数据数据CPU逐条逐条执行指令执行指令,按按指 令 要 求 完指 令 要 求 完成 对 数

4、据 的成 对 数 据 的运算和处理运算和处理5存储器存储器中央中央处理器处理器存储数据存储数据和指令和指令执行指令执行指令处理数据处理数据指令，数据指令，数据处理结果处理结果CPU的任务的任务nCPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作数据进行操作6指令是什么？指令是什么？n指令就是命令，它用来规定指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构执行什么操作。指令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的n指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组指令采用二进位表示，大多数情况下，指令

5、由两个部分组成：成： 操作码操作码操操 作作 数数 地地 址址指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除、取数、存数等 指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置 举例举例: 10 02 06把把02存储单元和存储单元和06存储单元中的内存储单元中的内容相加，和数保存在容相加，和数保存在02单元单元7CPU的结构和任务的结构和任务nCPU主要由运算器、控制器和寄存器组主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成个部分组成nCPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作的任务：取指令并完成指令所规定的操作寄寄存存器器组组运运算算器器中央处理器中央处理器指令计数器指令计数器指令寄存器指

6、令寄存器控制器数数 据据程序程序指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n数据数据1数据数据2数据数据m数据数据内存储器内存储器指指 令令 指令地址指令地址 操作数地址操作数地址存放待执行存放待执行指令的地址指令的地址已经启动运已经启动运行的程序和行的程序和数据数据存放待执行的存放待执行的指令并进行译指令并进行译码码完成规定的运完成规定的运算算暂存等待处暂存等待处理的数据理的数据操作命令操作命令8内存储器内存储器AC927BALU0 1 2 3 4 5 6 7运算器运算器(ALU)与通用寄存器与通用寄存器(GPR)n运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻运算器用来对数据进行各种算

7、术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件辑部件 (ALU)，参加参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器运算的操作数通常来自通用寄存器GPR ，运算结果也送回运算结果也送回GPRSTORER1内存地址内存地址C例例3：存数指令：存数指令9例例2：加法指令：加法指令ADDR1R3R5(3寄存器内容与寄存器内容与5寄存器内容相寄存器内容相加，并把和数写入加，并把和数写入1寄存器寄存器)例例1:取数指令取数指令LOADR3内存地址内存地址ALOADR5内存地址内存地址B27362793636通用寄存器通用寄存器GPR92.2.2 指令与指令系统指令与指令系统instruction setsoftwareh

8、ardware10指令及其格式指令及其格式n指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成：指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成： 操作码操作码操操 作作 数数 地地 址址指出指出CPU应执行何种操作的一个命应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除等令词，例如加、减、乘、除等 指出该指令所操作指出该指令所操作(处理处理)的的数据或者数据所在位置数据或者数据所在位置 n指令的格式：指令的格式：n操作码有几位？操作码有几位？(决定有多少种不同的操作决定有多少种不同的操作)n操作数地址是操作数地址是2个还是个还是3个？个？nR1R3+R5 （三地址）（三地址）nR1R1-R3 （二地

9、址）（二地址）n如何指出内存地址？如何指出内存地址？(寻址方式寻址方式)n指令长度是多少位，固定长度指令长度是多少位，固定长度/可变长度？可变长度？ADDR1R3R5SUBR1R311指令在计算机中的执行过程指令在计算机中的执行过程n取指令取指令：CPU的控制器从的控制器从存储器读取一条指令并放存储器读取一条指令并放入指令寄存器入指令寄存器n指令译码指令译码：指令寄存器中：指令寄存器中的指令经过译码，决定该的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操指令应进行何种操作、操作数在哪里作数在哪里n执行指令执行指令3.1 取操作数取操作数3.2 进行运算进行运算n修改指令计数器修改指令计数器，决定下

10、，决定下一条指令的地址一条指令的地址1 取指令取指令4 修改指修改指令计数器令计数器3 执行指令执行指令2 指令译码指令译码指令执行周期指令执行周期通常，每一步需要通常，每一步需要1个或几个时个或几个时钟周期才能完成钟周期才能完成 12关于指令系统关于指令系统nCPU可执行的全部指令称为该可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，的指令系统，即它的机器语言即它的机器语言n指令应该简单，简单才能提高速度指令应该简单，简单才能提高速度(RISC)!n操作功能要简单，不宜太多、太复杂操作功能要简单，不宜太多、太复杂n指令的格式要统一：固定长度、统一分段指令的格式要统一：固定长度、统一分段n操作数的来源

11、要有限制：操作数的来源要有限制：n算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器nLOAD/STORE指令的操作数来自指令的操作数来自(或送到或送到)内存内存寄存器寄存器内存内存 内存内存寄存器寄存器1.ARM处理器符合上述要求，处理器符合上述要求， Intel 处理器由于历处理器由于历史的原因，并不符合上述原则！史的原因，并不符合上述原则！13关于指令的操作功能关于指令的操作功能n指令系统中的指令分成许多类，例如指令系统中的指令分成许多类，例如Intel公司的公司的奔腾奔腾和酷睿处理器中，共有七大类指令和酷睿处理器中，共有七大类指令：n数据传送类数据传送类 算术

12、运算类算术运算类n逻辑运算类逻辑运算类 移位操作类移位操作类n位位(位串位串)操作类操作类 控制转移类控制转移类n输入输入/输出类等输出类等n每一类指令（如数据传送类、算术运算类）又按照操每一类指令（如数据传送类、算术运算类）又按照操作数的性质（如整数还是实数）、长度（作数的性质（如整数还是实数）、长度（16位、位、32位、位、64位、位、128位等）而区分为许多不同的指令，因此位等）而区分为许多不同的指令，因此Intel公司公司CPU有数以百计的不同的指令有数以百计的不同的指令14关于关于Intel公司公司CPU的指令系统的指令系统n产品发展过程为：产品发展过程为：8088（8086）802

13、86 8038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔腾奔腾D 奔腾至尊奔腾至尊 酷睿酷睿 酷睿酷睿2 Core i3/ i5/ i7 n为解决软件兼容性问题，采用为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式向下兼容方式”开发新的处理器，即所有开发新的处理器，即所有新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。例新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。例如：如：nPentium比比80386增加了的增加了的80多条浮点指令，多条浮点指令，nPentium II比比Pentium增加

14、了增加了50多条处理多媒体信息的指令（多条处理多媒体信息的指令（Multimedia Extension，称为称为MMX），），nPentium III比比Pentium II增加了增加了70条处理条处理128位长操作数的流式单指令多数位长操作数的流式单指令多数据指令据指令( (Streaming SIMD Extention, ,SSE) )nPentium 4又比又比Pentium III 增加了增加了144条指令（称为条指令（称为SSE2）n奔腾奔腾D 、奔腾至尊、酷睿奔腾至尊、酷睿2等又增加了等又增加了13条条SSE3指令指令nCore i5和和Core i7又增加了又增加了40多条多

15、条SSE4指令指令 15关于关于CPU的兼容性的兼容性n不同公司生产不同的不同公司生产不同的CPU产品，一般互不兼容：产品，一般互不兼容：nIntel公司：奔腾、赛扬公司：奔腾、赛扬 、酷睿、灵动等、酷睿、灵动等nAMD公司：独龙、闪龙、炫龙等公司：独龙、闪龙、炫龙等nIBM公司：公司：Power5、6、7等等nSUN公司：公司：Ultra SPARC处理器处理器n英国英国ARM公司：公司： ARM 处理器处理器n同一公司同一系列的同一公司同一系列的CPU具有向下兼容性：具有向下兼容性：nA计算机（使用新型号计算机（使用新型号CPU）的程序不能在）的程序不能在B计算机（使用老计算机（使用老型号

16、型号CPU）上运行，）上运行， B计算机的程序却能在计算机的程序却能在A计算机上运行计算机上运行n平板电脑和智能手机与平板电脑和智能手机与PC不兼容！不兼容！互不兼容互不兼容A计算机的程序不能在计算机的程序不能在B上上直接运行，直接运行， B计算机的程计算机的程序也不能在序也不能在A上直接运行上直接运行互相兼容互相兼容162.2.3 CPU的性能指标的性能指标17CPU是一个超大规模集成电路是一个超大规模集成电路n能高速执行指令，完成二进制能高速执行指令，完成二进制数据的算术运算、逻辑运算等数据的算术运算、逻辑运算等操作操作n由数字电路组成，结构极复杂由数字电路组成，结构极复杂n制作在大规模集

17、成电路芯片上制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米仅几个平方厘米)，称为，称为“微微处理器处理器” (microprocessor)2000: Intel Pentium 4 Processor 42 million transistors，0.18 microns 工艺工艺18Intel公司公司CPU芯片的发展变化芯片的发展变化n30多年来其多年来其主要产品的发展过程主要产品的发展过程为：为：n8088（8086） 802868038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔腾系列奔腾系列赛扬系列赛扬系列（1星

18、级星级CPU）（2星级星级CPU）酷睿酷睿i3系列系列（3星级星级CPU）酷睿酷睿i5系列系列当前当前产品产品酷睿酷睿i7系列系列（4星级星级CPU）（5星级星级CPU）19如何衡量如何衡量CPU的性能？的性能？n计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢n计算机性能由许多因素决定，例如计算机性能由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡、内存、硬盘、显卡等，但通常等，但通常CPU是主要因素是主要因素nCPU的性能高低主要表现为的性能高低主要表现为CPU的速度的速度，有两种衡量方法：，有两种衡量方法：n计算每秒钟可执行的指令数目计算每秒钟可执行的指令数目

19、(单位：单位：MIPS、MFLOPS)n巨型计算机：巨型计算机：xx千万亿千万亿xx万万亿次万万亿次 基本运算基本运算/秒秒n个人计算机：几千万几亿次个人计算机：几千万几亿次 基本运算基本运算/秒秒（其中，基本运算指的是：四则运算和（其中，基本运算指的是：四则运算和，等逻辑运算）等逻辑运算）nPC大多以常用软件大多以常用软件(办公软件、数字媒体处理软件和办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等游戏等)的运行速度来测试的运行速度来测试CPU的性能，例如：的性能，例如：n游戏性能游戏性能测试程序测试程序: 3DMark1.整体综合性整体综合性能能测试程序测试程序: PCMark20影响影响CPU性能

20、的主要因素性能的主要因素n字长（位数）字长（位数）n指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）位数）n指令系统指令系统n指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度n逻辑结构（微架构）逻辑结构（微架构）nCPU包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水线结构和级数、指令分支预测的机制、执行部件的数目等线结构和级数、指令分支预测的机制、执行部件的数目等n高速缓存（高速缓存（cache）的容量与结构）的容量与结构 n主频（主频（CPU内部

21、时钟频率）内部时钟频率）n指指CPU芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决定着定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢芯片内部数据传输与操作速度的快慢 n内核数目：内核数目：1个、个、2个、个、6个、个、8个甚至更多个甚至更多体体系系结结构构 逻逻辑辑实实现现物物理理实实现现211980 1990 2005 2010 20151980 1990 2005 2010 20154核核 80 x86 Pentium 80核核 双核双核年代年代性性能能提高提高CPU性能的性能的3大措施大措施提高主频提高主频增加逻辑增加逻辑复杂度复杂度增加内核数目增加

22、内核数目双核多核异构的多核处理器性能与其逻辑复杂处理器性能与其逻辑复杂性的平方根成正比，若逻性的平方根成正比，若逻辑复杂性提高辑复杂性提高1倍，至多倍，至多能提高能提高40%的性能的性能最大瓶颈是散热问题：最大瓶颈是散热问题： 3.2GHz 的的Pentium 4功耗超过功耗超过100W，温度达温度达70度！度！ 主频到主频到4.0GHz，功耗会达到，功耗会达到150W！采用采用2个处理器构成一个处理器构成一个双核处理器，可以个双核处理器，可以提高提高70%80%的性的性能能电路与封装技术的进电路与封装技术的进步，能把多个处理器步，能把多个处理器做在单个芯片上做在单个芯片上1改进改进CPU结构

23、；结构； 2 提高提高IC速度速度(主频主频)；3 增加增加CPU(核核)的数目的数目22什么是双核什么是双核/四核处理器？四核处理器？揭开外壳后的揭开外壳后的Pentium D处理器处理器共享的共享的L2 cache2 x 奔腾双核奔腾双核E5000处理器处理器 n最初，单个最初，单个IC封装封装2个功能完个功能完全相同的处理器全相同的处理器(内核内核)n进一步发展为进一步发展为2个内核做在同个内核做在同一晶片上，共享一晶片上，共享L2 cache，提高性价比提高性价比n然后，然后，2个双核晶片封装在一个双核晶片封装在一起成为起成为4核处理器核处理器n现在，现在，4个个/6个内核做在同一个内

24、核做在同一晶片上，共享晶片上，共享L3 cache（Core i7/i5/i3 处理器）处理器）23Pipelining and Parallel ProcessingInstructionsResults aresequenced1. ”线程线程“排排队等候进入队等候进入CPU处理处理并行处理并行处理3. 每个每个CPU负责负责执行分配给它的执行分配给它的线程中的指令线程中的指令2. 哪一个哪一个CPU空闲，就把等空闲，就把等候的线程交给候的线程交给它执行它执行(包含包含3个内核个内核)为什么为什么“多核多核”可提高计算机性能可提高计算机性能（注：（注： 不严格地说，不严格地说， “线程线程

25、”可以理解为程序中可独立且并发地可以理解为程序中可独立且并发地 执行的一串指令）执行的一串指令）24小结：提高小结：提高CPU性能的措施性能的措施n扩展扩展CPU的字长：的字长：32位位 64位位 n扩充扩充CPU指令系统：指令系统：SSE指令指令n提高提高CPU主频：从主频：从1.5GHz 3GHz以上，目前最高以上，目前最高已经接近已经接近4GHz；n加快加快CPU前端总线的数据传输速率前端总线的数据传输速率n增大增大cache存储器容量、增加存储器容量、增加cache的级数的级数n改进改进CPU内部的逻辑结构内部的逻辑结构n超标量结构（多个执行部件）超标量结构（多个执行部件）n指令流水线

26、执行技术指令流水线执行技术n超线程技术超线程技术n采用多个内核采用多个内核 25片上系统（片上系统（SoC）n智能手机和平板电脑具有更好的便携性和智能手机和平板电脑具有更好的便携性和可用性，它们要求所使用的可用性，它们要求所使用的CPU功耗低，功耗低，续航时间长，体积小、功能丰富，成本低续航时间长，体积小、功能丰富，成本低廉。目前，绝大多数平板电脑和智能手机廉。目前，绝大多数平板电脑和智能手机使用的使用的CPU都是都是ARM处理器，这些处理器处理器，这些处理器内核与存储控制器、内核与存储控制器、I/O控制器以及其他一控制器以及其他一些协处理器集成在同一个芯片上，称为些协处理器集成在同一个芯片上，称为SoC（片上系统，也称为系统级芯片）（片上系统，也称为系统级芯片） 26华为华为Mate8智能手机的智能手机的SoC芯片芯片除包含除包含8个个CPU内核之外，还包括内核之外，还包括BP（基带处理器，即图中的（