CPU的逻辑结构与原理.pptVIP

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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 指令执行过程的模拟 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! 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 Intel 处理器的指令系统由于历史的原因,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 HP公司: PA-RISC、Itanium 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 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 由数字电路组成,结构极复杂 制作

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