計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)第2章.ppt

第二章 微處理器及其管理,微處理器的功能結(jié)構(gòu),控制單元：協(xié)調(diào)和控制出現(xiàn)在中央處理器單元中的所有操作，還與輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行通信。 算術(shù)/邏輯單元（ALU）：計(jì)算機(jī)的“計(jì)算器”，完成兩種類型的操作。 算術(shù)操作：加、減、乘、除。 邏輯操作：比較操作。 寄存器：CPU內(nèi)部存儲(chǔ)運(yùn)算數(shù)據(jù)和系統(tǒng)信息，相似于內(nèi)存的單元，其速度更快以及使用方式不同。,CPU主要組成部分邏輯框圖,ALU的邏輯符號(hào),1對(duì)用戶透明寄存器 這類寄存器對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是不可訪問(wèn)的。它是在操作系統(tǒng)的作用下，在CPU中起著控制計(jì)算機(jī)操作的作用。對(duì)用戶透明寄存器至少包括程序計(jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）等。 2可遍程寄存器 通用寄存器:存放數(shù)據(jù)，也可存放數(shù)據(jù)的地址 。 地址寄存器：存放地址，也稱為地址指針寄存器。 標(biāo)志寄存器：保存程序的運(yùn)行狀態(tài)，也稱PSW寄存器。,寄存器,2.1.2 指令集（Instruction Set）,指令就是指控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，也稱為機(jī)器指令。我們將一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心問(wèn)題。,圖 指令周期,MOV CL, 10 MOV AH, AL ADD CL, 5,操作碼與操作數(shù) 計(jì)算機(jī)指令中最主要的元素是操作碼（Operation Code），它指明將要完成的操作的性質(zhì)。,一臺(tái)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的指令少則幾十條，多則幾百條。因此，不同類型的計(jì)算機(jī)，其硬件的功能差異很大，相應(yīng)地，其指令系統(tǒng)的差別也很大。但無(wú)論其規(guī)模是大是小，一般都包含有如下的一些基本功能類型的指令。,（1）數(shù)據(jù)傳送類指令 （2）算術(shù)運(yùn)算類指令 （3）邏輯運(yùn)算和 移位操作指令 （5）字符串操作指令 （6）程序控制轉(zhuǎn)移類指令 （7）處理器控制類指令,指令的類型,CPU需要通過(guò)某個(gè)接口與主板連接的才能進(jìn)行工作。CPU經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，采用的接口方式有: 1.早期(Intel 386以前)的CPU引腳較少,大多直接焊接到主板上. 2.針腳式。目前CPU的接口都是針腳式接口，對(duì)應(yīng)到主板上就有相應(yīng)的插座類型(Socket)。 3.卡式接口。對(duì)應(yīng)到主板上就有相應(yīng)的插槽類型(Slot)。 CPU接口類型不同，在插孔數(shù)、體積、形狀都有變化，所以不能互相接插。即使同一接口的CPU由于內(nèi)核不同，電壓不同等因素，也不一定就能在同一主板上使用。,CPU接口類型,微處理器,SLOT 1 SLOT 1是英特爾公司為取代Socket 7而開(kāi)發(fā)的CPU接口，并申請(qǐng)的專利。這樣其它廠商就無(wú)法生產(chǎn)SLOT 1接口的產(chǎn)品。SLOT1接口的CPU不再是大家熟悉的方方正正的樣子，而是變成了扁平的長(zhǎng)方體，而且接口也變成了金手指，不再是插針形式。,Intel CPU 技術(shù)結(jié)構(gòu),提高制作工藝 改進(jìn)CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使CPU工作流程更合理，提高單位時(shí)間內(nèi)的執(zhí)行效率,CPU BUS,EU BIU BUS,并行工作方式，流水線作業(yè)方式,指令流水線（Instructions Pipeline）是一種能夠供多條指令重疊操作的處理器技術(shù)，是現(xiàn)代處理器設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。,2.2.2 指令流水線,(a) 四階段流水線,(b) 四階段流水線時(shí)間重疊情況,超標(biāo)量（super scalar）處理機(jī)采用資源重復(fù)的并行性思想，設(shè)置多條指令流水線和多個(gè)功能部件。每個(gè)周期發(fā)送多條指令同時(shí)并行地對(duì)多條指令進(jìn)行流水線處理。,2.2.3 Pentium超標(biāo)量技術(shù),三發(fā)射超標(biāo)量流水線,為了提高處理器的并行處理能力 亂序執(zhí)行(out of order execution)：處理器將多條指令不按程序規(guī)定的順序，而按實(shí)際情況分發(fā)各相應(yīng)單元進(jìn)行處理，而執(zhí)行結(jié)果重新按原程序的指令順序排列后返回程序。 分支預(yù)測(cè)(branch prediction)和推測(cè)(speculation execution)執(zhí)行：在指令結(jié)果出來(lái)之前，預(yù)測(cè)指令是否產(chǎn)生分支轉(zhuǎn)移，并推測(cè)執(zhí)行。采用轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖存儲(chǔ)器（Branch Target Buffer，BTB)保存最近轉(zhuǎn)移指令的相關(guān)歷史記錄。,2.2.4 Pentium動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù),復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（Complex Instruction Set Computer，CISC）是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和微電子等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，為滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，同時(shí)照顧到計(jì)算機(jī)兼容性等諸多因素而出現(xiàn)的。并且，由于微處理器的功能越來(lái)越強(qiáng)，所以它的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。,2.3 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī),典型CISC處理器結(jié)構(gòu),采用RISC技術(shù)可以簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，適合超大規(guī)模集成電路的實(shí)現(xiàn)，可以提高機(jī)器的執(zhí)行速度和效率，降低設(shè)計(jì)成本，提高系統(tǒng)的可靠性等等。RISC技術(shù)在某些領(lǐng)域取得的令人矚目的成就，對(duì)CISC技術(shù)構(gòu)成了強(qiáng)有力的沖擊。各具特色的RISC芯片不斷涌現(xiàn)，并在許多領(lǐng)域已顯示出其固有的優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)RISC技術(shù)極具生命力。,RISC處理器的結(jié)構(gòu),精簡(jiǎn)指令條數(shù)，但必須優(yōu)化編譯程序 規(guī)范指令格式，指令長(zhǎng)度一致 簡(jiǎn)化尋址方式，面向寄存器操作，緩解主存帶寬壓力。 優(yōu)化指令流水線技術(shù),2.3.2 RISC技術(shù)要點(diǎn),操作數(shù)尋址方式，就是形成操作數(shù)有效地址的方法。,直接尋址方式示意圖,(a) 一次間接尋址 (b) 二次間接尋址 間接尋址方式示意圖,寄存器直接尋址方式 (b) 寄存器間接尋址方式 寄存器尋址方式示意圖,但是，由于CISC技術(shù)歷史悠久，技術(shù)成熟，兼容性能好，市場(chǎng)占有率高。因此我們決不能簡(jiǎn)單地說(shuō)RISC一定比CISC好，RISC一定會(huì)取代CISC。相反，它們?cè)诩ち械氖袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，不斷完善。現(xiàn)有許多處理器都使用相同的電路技術(shù)，兼有RISC和CISC的混合特征。因此，RSC和CISC體系結(jié)構(gòu)間的的界限已變得相當(dāng)模糊。,MMX（Multi Media Extension)技術(shù)：新增57條多媒體指令，采用64位“壓縮整型數(shù)據(jù)”，實(shí)現(xiàn)單指令多數(shù)據(jù)（SIMD：single instruction multiple data）。,2.4 Pentium的多媒體和超線程技術(shù),90年代以來(lái)，傳統(tǒng)的32位整數(shù)和浮點(diǎn)指令集難以勝任大量的多媒體數(shù)據(jù)、互連網(wǎng)應(yīng)用、2D/3D圖形處理的需要。,新增70條SIMD指令，加快浮點(diǎn)運(yùn)算能力，使游戲軟件性能提高。 3D運(yùn)算及動(dòng)畫(huà)處理、圖形處理 多媒體應(yīng)用中的音頻、視頻的編碼和解碼能力 語(yǔ)音識(shí)別及聲音的壓縮合成,2.4.2 Pentium 的SSE技術(shù),SSE（streaming SIMD extension)技術(shù)：?jiǎn)沃噶疃鄶?shù)據(jù)擴(kuò)展。為克服MMX不能提高浮點(diǎn)運(yùn)算缺點(diǎn)。,進(jìn)程：多任務(wù)系統(tǒng)中，系統(tǒng)為不同任務(wù)生成一個(gè)程序的多個(gè)copy，這些同一任務(wù)的多個(gè)copy，就是進(jìn)程。 多個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)CPU，但任一時(shí)刻一個(gè)CPU只有一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，多個(gè)進(jìn)程按順序輪流進(jìn)入CPU執(zhí)行，由于輪換時(shí)間短，從宏觀上看，每一個(gè)進(jìn)程都在運(yùn)行。 系統(tǒng)要付出較大處理時(shí)間和存儲(chǔ)空間保存切換時(shí)的進(jìn)程信息，降低了系統(tǒng)性能。,2.4.3 超線程技術(shù),HTT: Hyper-Threading Technology,線程：是進(jìn)程內(nèi)的基本調(diào)度和分配單位，只占用極少數(shù)資源（程序計(jì)數(shù)器、一組寄存器等） 線程是由進(jìn)程進(jìn)一步派生出來(lái)的一組指令的執(zhí)行過(guò)程。,2.4.3 超線程技術(shù),HTT: Hyper-Threading Technology,2.3 處理器實(shí)例1：奔騰處理器,奔騰（Pentium）處理器是1993年由美國(guó)的Intel公司推出。Pentium處理器是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）幾十年來(lái)設(shè)計(jì)、努力的結(jié)晶，它采用了過(guò)去只有大型機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)才會(huì)采用的設(shè)計(jì)原則，是CISC體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)秀典范。,1Pentium處理器的結(jié)構(gòu) Pentium處理器采用了全新的設(shè)計(jì)，由32位地址線和64位數(shù)據(jù)總線以及高性能浮點(diǎn)處理部件構(gòu)成的高性能微處理器。 執(zhí)行單元可以高速完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算。它包括兩個(gè)整數(shù)ALU和一個(gè)浮點(diǎn)ALU，分別執(zhí)行整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算。,圖2.21 Pentium處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖,2Pentium處理器的特點(diǎn) Pentium處理器的結(jié)構(gòu)雖然與80486及以前處理器的結(jié)構(gòu)有很大改進(jìn)，但是依然保持了與它們之間的兼容性。除此之外，Pentium處理器還具有一些新的特點(diǎn)。 （1）指令Cache與數(shù)據(jù)Cache分開(kāi)，提高了計(jì)算機(jī)執(zhí)行的并行性。 （2）采用了超標(biāo)量技術(shù)，在處理器內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩條指令流水線，U流水線和V流水線。,（3）浮點(diǎn)部件采用運(yùn)算流水線結(jié)構(gòu)，使Pentium處理器的速度是i486處理器速度的23倍。 （4）具有轉(zhuǎn)移指令預(yù)測(cè)功能。通過(guò)轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖器（Branch Target Buffer，BTB）來(lái)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)移指令。,2.4 處理器實(shí)例2：Power PC處理器,Power PC是由IBM、Apple和Motorola三個(gè)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，采用超標(biāo)量的RISC體系結(jié)構(gòu)的微處理器。Power PC系列包括601、603、604e、620、630、G3（740/750）和G4等。它主要是為具有較好軟件兼容性的商業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。,圖2.22 Power PC 620結(jié)構(gòu)框圖,2.5 嵌入式微處理器,嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor）又稱微控制器MCU（Micro Controller Unit）。它是以標(biāo)準(zhǔn)處理器為核心，將各種不同處理器或外圍接口芯片進(jìn)行二次集成而形成的高集成度處理器。它廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制、工業(yè)控制、智能化儀器及儀表、數(shù)據(jù)檢測(cè)與采集、家用電器等軍事和民用領(lǐng)域。,嵌入式微處理器的時(shí)鐘頻率一般為幾十兆赫茲（MHz），目前可以達(dá)到200MHz以上。 根據(jù)世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì)（WSTS）藍(lán)皮書(shū)的統(tǒng)計(jì)，從銷售數(shù)量計(jì)，包括Intel的Pentium系列、AMD的Athlon、IBM和Motorola的Power PC等用于通用計(jì)算機(jī)的處理器只占世界所有處理器市場(chǎng)的6%，而嵌入式微處理器則占到了整個(gè)銷售量的94%，達(dá)到50億個(gè)。,