會計學1CPU的邏輯結構與原理實用第1頁/共25頁2.2.1

CPU的作用與原理第2頁/共25頁馮·諾依曼精髓貢獻是2點：（1）二進制思想（2）程序內存思想（1903－1957）

美籍匈牙利人是上世紀最偉大的全才之一物理學家、數(shù)學家、發(fā)明家第3頁/共25頁馮·諾依曼計算機的結構與原理(1)計算機的工作由程序控制，程序是一個指令序列，指令是能被計算機理解和執(zhí)行的操作命令；(2)程序(指令)和數(shù)據(jù)均以二進制編碼表示，均存放在存儲器中；(3)存儲器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進行存??；(4)指令是由CPU一條一條順序執(zhí)行的。中央處理器運算器和控制器輸入設備輸出設備存儲器第4頁/共25頁“存儲程序控制”原理將問題的解算步驟編制成為程序，程序連同它所處理的數(shù)據(jù)都用二進位表示并預先存放在存儲器中程序運行時，CPU從內存中一條一條地取出指令和相應的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進行運算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止②CPU從內存中逐條讀取該程序的指令及相關的數(shù)據(jù)④將指令的運算處理結果送回內存保存⑤任務完成后，將處理得到的全部結果成批傳送到外存以長久保存外存儲器內存儲器CPU①任務啟動時，執(zhí)行該任務的程序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內存指令1指令2指令k指令n程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)③CPU逐條執(zhí)行指令,按指令要求完成對數(shù)據(jù)的運算和處理第5頁/共25頁存儲器中央處理器存儲數(shù)據(jù)和指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結果CPU的任務CPU的主要任務：取指令并完成指令所規(guī)定的操作第6頁/共25頁CPU的結構CPU主要由運算器、控制器和寄存器組3個部分組成寄存器組運算器中央處理器指令計數(shù)器指令寄存器控制器數(shù)據(jù)程序指令1指令2指令k指令n數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)內存儲器指令

指令地址

操作數(shù)地址存放待執(zhí)行的指令并進行譯碼暫存等待處理的數(shù)據(jù)操作命令第7頁/共25頁~~~~內存儲器AC927BALU01234567運算器(ALU)與通用寄存器(GPR)運算器用來對數(shù)據(jù)進行各種算術或邏輯運算，所以稱為算術邏輯部件(ALU)，參加ALU運算的操作數(shù)通常來自通用寄存器GPR，運算結果也送回GPRSTORER1內存地址C例3：存數(shù)指令9例2：加法指令ADDR1R3R5(3＃寄存器內容與5＃寄存器內容相加，并把和數(shù)寫入1＃寄存器)例1:取數(shù)指令LOADR3內存地址ALOADR5內存地址B27362793636通用寄存器GPR第8頁/共25頁2.2.2指令與指令系統(tǒng)instructionsetsoftwarehardware第9頁/共25頁指令是什么？指令就是命令，它用來規(guī)定CPU執(zhí)行什么操作。指令是構成程序的基本單位，程序是由一連串指令組成的。指令采用二進位表示，大多數(shù)情況下由兩個部分組成：操作碼操作數(shù)地址指出CPU應執(zhí)行何種操作的一個命令詞，例如加、減、乘、除等指出該指令所操作(處理)的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置ADDR1R3R5SUBR1R3例如：第10頁/共25頁指令在計算機中的執(zhí)行過程取指令：CPU的控制器從存儲器讀取一條指令并放入指令寄存器指令譯碼：指令寄存器中的指令經過譯碼，決定該指令應進行何種操作、操作數(shù)在哪里執(zhí)行指令3.1取操作數(shù)3.2進行運算寫回：運算結果存回內存1取指令4寫回3執(zhí)行指令2指令譯碼指令執(zhí)行周期第11頁/共25頁關于指令系統(tǒng)CPU可執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)。（CPU依靠指令來計算和控制系統(tǒng)，每一款CPU在設計時，就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。）第12頁/共25頁關于CPU的兼容性不同公司生產的CPU各有自己的指令系統(tǒng)，它們未必互相兼容。一般地，

PC機

（Intel和AMD的桌上型CPU）

大型機

（IBM的PowerPC處理器、SUN公司的SPARC處理器、MIPS公司的MIPS處理器、DEC公司的Alpha處理器等）

平板電腦/智能手機（Apple的A5、A6，三星Exynos、ARM公司等使用的CPU的指令系統(tǒng)有很大差別，是互不兼容的。第13頁/共25頁特別地，關于PC機使用的CPUIntel的PC機CPU的發(fā)展過程：8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPRO→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→PentiumD→酷睿2→Corei3/i5/i7為解決軟件兼容性問題，采用“向下兼容方式”開發(fā)新的處理器，即所有新處理器均保留老處理器的全部指令，同時還擴充功能更強的新指令。PC機使用的CPU：指令系統(tǒng)一致，相互兼容。第14頁/共25頁2.2.3

CPU的性能指標第15頁/共25頁CPU是一個超大規(guī)模集成電路能高速執(zhí)行指令，完成二進制數(shù)據(jù)的算術運算、邏輯運算等操作由數(shù)字電路組成，結構極復雜制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個平方厘米)2000:Intel?Pentium?4Processor42milliontransistors，0.18microns工藝第16頁/共25頁如何衡量CPU的性能？計算機的性能主要表現(xiàn)為程序執(zhí)行速度的快慢計算機性能由許多因素決定，例如CPU、內存、硬盤、顯卡等，但通常CPU是主要因素CPU的性能高低主要表現(xiàn)為CPU的速度，有兩種衡量方法：計算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目(單位：MIPS、MFLOPS)巨型計算機：幾十萬億～幾百萬億次基本運算/秒個人計算機：幾千萬～幾億次基本運算/秒（其中，基本運算指的是：四則運算和∧，∨等邏輯運算）PC大多以常用軟件(辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和3D游戲等)的運行速度來測試CPU的性能，例如：游戲性能測試程序:3DMark整體綜合性能測試程序:PCMark第17頁/共25頁影響CPU性能的主要因素字長（位數(shù)）指通用寄存器和定點運算器的寬度（即二進制整數(shù)運算的位數(shù)）主頻（CPU內部時鐘頻率）指CPU芯片中電子線路（門、觸發(fā)器）的工作頻率，它決定著CPU芯片內部數(shù)據(jù)傳輸與操作速度的快慢CPU總線速率CPU總線（前端總線）傳輸速率：決定著CPU與內存之間傳輸數(shù)據(jù)的速度快慢高速緩存（cache）的容量與結構

指令系統(tǒng)指令的類型、數(shù)目和功能等都會影響程序的執(zhí)行速度邏輯結構CPU包含的定點運算器和浮點運算器的數(shù)目、采用的流水線結構和級數(shù)、指令分支預測的機制、執(zhí)行部件的數(shù)目等內核數(shù)目第18頁/共25頁第19頁/共25頁第20頁/共25頁1980’1990’2005201020151980’1990’2005201020154核80x86Pentium

80核

雙核年代性能提高CPU性能的3大措施提高主頻增加邏輯復雜度增加內核數(shù)目雙核多核異構的多核處理器性能與其邏輯復雜性的平方根成正比，若邏輯復雜性提高1倍，至多能提高40%的性能最大瓶頸是散熱問題：

3.2GHz的Pentium

4功耗超過100W，溫度達70度！主頻到4.0GHz，功耗會達到150W！采用2個處理器構成一個雙核處理器，可以提高70%～80%的性能電路與封裝技術的進步，能把多個處理器做在單個芯片上1改進CPU結構；2提高IC速度(主頻)；3增加CPU(核)的數(shù)目第21頁/共25頁什么是雙核/四核處理器？揭開外殼后的PentiumD處理器共享的L2cache2x奔騰雙核E5000處理器

單個IC封裝有2個功能完全相同的處理器(內核)進一步發(fā)展為2個內核做在同一晶片上，共享L2cache，提高性價比2個雙核晶片封裝在一起成為4核處理器4個/6個內核做在同一晶片上，共享L3cache（Corei7）第22頁/共25頁PipeliningandParallelProcessingInstructionsResultsaresequenced1.”線程“排隊等候進入CPU處理并行處理3.每個CPU負責執(zhí)行分配給它的線程中的指令2.哪一個CPU空閑，就把等候的線程交給它執(zhí)行(包含3個內核)為什么“多核”可提高計算機性能（注：不嚴格地說，“線程”可以理解為程序中可獨立且并發(fā)地執(zhí)行的一串指令）第