计算机硬件基础第2章.ppt

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。 寄存器 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。 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。 MOV CL, 10 MOV AH, AL ADD CL, 5 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。 微处理器 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。 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。 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。 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。 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。 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 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）。 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 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。 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。 2.3 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