《大学计算机信息技术》第2章2.2CPU的逻辑结构与原理.ppt

2.2 CPU的逻辑结构与工作原理 2.2.1 CPU的逻辑结构 2.2.2 指令与指令系统 2.2.3 CPU的性能指标 2.2.1 CPU的逻辑结构 冯·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，指令是能被计算机理解和执行的操作命令； (2) 程序(指令)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 ； (4) 指令是由CPU一条一条顺序执行的。 “存储程序控制” 原理 将问题的解算步骤编制成为程序，程序连同它所处理的数据都用二进位表示并预先存放在存储器中 程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止 CPU的任务 CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作 指令是什么？ 指令就是命令，它用来规定CPU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 指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成： CPU的结构和任务 CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成 CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作 运算器(ALU)与通用寄存器(GPR) 运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件 (ALU)，参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器GPR ，运算结果也送回GPR 2.2.2 指令与指令系统 指令及其格式 指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成： 指令在计算机中的执行过程 取指令：CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器 指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里 执行指令 3.1 取操作数 3.2 进行运算 修改指令计数器，决定下一条指令的地址 关于指令系统 CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，即它的机器语言 指令应该简单，简单才能提高速度(RISC)! 操作功能要简单，不宜太多、太复杂 指令的格式要统一：固定长度、统一分段 操作数的来源要有限制： 算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器 LOAD/STORE指令的操作数来自(或送到)内存 寄存器?内存 内存?寄存器 ARM处理器符合上述要求， Intel 处理器由于历史的原因，并不符合上述原则！ 关于指令的操作功能 指令系统中的指令分成许多类，例如Intel公司的奔腾和酷睿处理器中，共有七大类指令： 数据传送类 ■ 算术运算类 逻辑运算类 ■ 移位操作类 位(位串)操作类 ■ 控制转移类 输入/输出类等 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（16位、32位、64位、128位等）而区分为许多不同的指令，因此Intel公司CPU有数以百计的不同的指令 关于Intel公司CPU的指令系统 产品发展过程为：8088（8086）→80286 →80386→80486 →Pentium →Pentium PRO→Pentium II →Pentium III → Pentium 4 → 奔腾D → 奔腾至尊 →酷睿 →酷睿2 →Core i3/ i5/ i7 为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”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。例如： Pentium比80386增加了的80多条浮点指令， Pentium II比Pentium增加了50多条处理多媒体信息的指令（Multimedia Extension，称为MMX）， Pentium III比Pentium II增加了70条处理128位长操作数的流式单指令多数据指令(Streaming SIMD Extention,SSE) Pentium 4又比Pentium III 增加了144条指令（称为SSE2） 奔腾D 、奔腾至尊、酷睿2等又增加了13条SSE3指令 Core i5和Core i7又增加了40多条SSE4指令 关于CPU的兼容性 不同公司生产不同的CPU产品，一般互不兼容： Intel公司：奔腾、赛扬 、酷睿、灵动等 AMD公司：独龙、闪龙、炫龙等 IBM公司：Power5、6、7等 SUN公司：Ultra SPARC处理器 英国ARM公司： ARM 处理器 同一公司同一系列的CPU具有向下兼容性： A计算机（使用新型号CPU）的程序不能在B计算机（使用老型号CPU）上运行， B计算机的程序却能在A计算机上运行 平板电脑和智能手机与PC不兼容！ 2.2.3 CPU的性能指标 CPU是一个超大规模集成电路 能高速执行指令，完成二进制数据的算术运算、逻辑运算等操作 由数字