中央处理器PPT课件.ppt
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1、计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理第第6章章 中央中央处处理器理器 2009.91.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理第第6章章 中央中央处处理器(理器(CPU)是整个)是整个计计算算机的核心,它包括运算器和控制器。机的核心,它包括运算器和控制器。本章着重本章着重讨论讨论CPU的功能和的功能和组组成,控成,控制器的工作原理和制器的工作原理和实现实现方法,微程序方法,微程序控制原理,基本控制控制原理,基本控制单单元的元的设计设计以及以及先先进进的的CPU系系统设计统设计技技术术。2009.92.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6
2、.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.1.1 CPU的功能的功能 计计算机的工作算机的工作过过程就是程序的运行程就是程序的运行过过程,程,也就是在控制器的控制下逐条也就是在控制器的控制下逐条执执行程序中各行程序中各指令的指令的过过程。在程序运行程。在程序运行过过程中,程中,计计算机的算机的各部件在控制器的控制下有条不紊地工作,各部件在控制器的控制下有条不紊地工作,在各部件之在各部件之间间流流动动的指令和数据形成了的指令和数据形成了指令指令流流和和数据流数据流。需要注意的是,需要注意的是,这这里的指令流和数据流里的指令流和数据流都是程序运行的都是程序运行的动态动态概念,它不同于程
3、序中概念,它不同于程序中静静态态的指令序列,也不同于存的指令序列,也不同于存储储器中数据的器中数据的静静态态分配序列。分配序列。指令流指的是指令流指的是处处理器理器执执行的行的指令序列指令序列,数据流指的是根据指令操作要求数据流指的是根据指令操作要求依次存取数据的序列。依次存取数据的序列。2009.93.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 从程序运行的角度来看,从程序运行的角度来看,控制器的基控制器的基本功能是本功能是对对指令流和数据流在指令流和数据流在时间时间与空与空间间上上实实施正确的控制施正确的控制。对对指令流的控
4、制:指令流的控制:指令流出的控制指令流出的控制指令分析与指令分析与执执行的控制行的控制 指令流向的控制指令流向的控制2009.94.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 对对数据流的控制主要数据流的控制主要应应包括包括对对数据的数据的流入与流出的控制;流入与流出的控制;对对数据数据变换变换、加工等、加工等操作的控制。操作的控制。对对于于冯冯诺诺依曼依曼结结构的构的计计算机而言,算机而言,数据流是根据指令流的操作而形成的,也数据流是根据指令流的操作而形成的,也就是就是说说数据流是由指令流来数据流是由指令流来驱动驱动的的。20
5、09.95.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.1.2 CPU中的主要寄存器中的主要寄存器 CPU中的主要寄存器是用来中的主要寄存器是用来暂时暂时保存保存在运算和控制在运算和控制过过程中的中程中的中间结间结果、最果、最终结终结果以及控制、状果以及控制、状态态信息的,它又可分信息的,它又可分为为通通用寄存器和用寄存器和专专用寄存器两种。用寄存器两种。1.通用寄存器通用寄存器 通用寄存器可用来存放原始数据和运通用寄存器可用来存放原始数据和运算算结结果,有的果,有的还还可以作可以作为变为变址寄存器、址寄存器、计计数器、地址指
6、数器、地址指针针等。通用寄存器一般可以等。通用寄存器一般可以由由CPU直接直接访问访问。2009.96.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成2.专专用寄存器用寄存器 专专用寄存器是用寄存器是专门专门用来完成某一种特用来完成某一种特殊功能的寄存器。殊功能的寄存器。CPU中至少要有五个中至少要有五个专专用的寄存器。它用的寄存器。它们们是:程序是:程序计计数器(数器(PC)、)、指令寄存器(指令寄存器(IR)、存)、存储储器地址寄存器器地址寄存器(MAR)、存)、存储储器数据寄存器(器数据寄存器(MDR)、)、状状态标态标志寄存
7、器(志寄存器(PSWR)。)。2009.97.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 程序程序计计数器数器 程程序序计计数数器器用用来来存存放放正正在在执执行行的的指指令令地址或接着要地址或接着要执执行的下条指令地址行的下条指令地址。对对于于顺顺序序执执行行的的情情况况,PC的的内内容容应应不不断断地地增增量量(加加“1”),以以控控制制指指令令的的顺顺序序执执行。行。在在遇遇到到需需要要改改变变程程序序执执行行顺顺序序的的情情况况时时,将将转转移移的的目目标标地地址址送送往往PC,即即可可实实现现程程序序的的转转移移。在在
8、有有些些情情况况下下除除需需要要改改变变PC的的内内容容外外,还还需需要要保保留留PC过过去去的的内内容容,以以便返回便返回时时使用。使用。2009.98.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 指令寄存器指令寄存器 指指令令寄寄存存器器用用来来存存放放从从存存储储器器中中取取出出的的指指令令。当当指指令令从从主主存存取取出出暂暂存存于于指指令令寄寄存存器器之之后后,在在执执行行指指令令的的过过程程中中,指指令令寄寄存存器器的的内内容容不不允允许许发发生生变变化化,以以保保证证实实现现指令的全部功能。指令的全部功能。存存储储
9、器数据寄存器器数据寄存器 存存储储器器数数据据寄寄存存器器用用来来暂暂时时存存放放由由主主存存储储器器读读出出的的一一条条指指令令或或一一个个数数据据字字;反反之之,当当向向主主存存存存入入一一条条指指令令或或一一个个数数据据字字时时,也也暂暂时时将将它它们们存存放放在在存存储储器器数数据据寄寄存存器中器中。2009.99.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 存存储储器地址寄存器器地址寄存器 存存储储器器地地址址寄寄存存器器用用来来保保存存当当前前CPU所所访访问问的的主主存存单单元元的的地地址址。由由于于主主存存和和C
10、PU之之间间存存在在着着操操作作速速度度上上的的差差别别,所所以以必必须须使使用用地地址址寄寄存存器器来来保保持持地地址址信信息息,直直到主存的到主存的读读/写操作完成写操作完成为为止。止。当当CPU和和主主存存进进行行信信息息交交换换,无无论论是是CPU向向主主存存存存/取取数数据据时时,还还是是CPU从从主主存存中中读读出出指指令令时时,都都要要使使用用存存储储器器地地址址寄寄存存器和数据寄存器。器和数据寄存器。2009.910.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 状状态标态标志寄存器志寄存器 状状态标态标志寄存器用
11、来存放程序状志寄存器用来存放程序状态态字的。字的。程序状程序状态态字的各位表征程序和机器运行的状字的各位表征程序和机器运行的状态态,是参与控制程序,是参与控制程序执执行的重要依据之一。行的重要依据之一。它主要包括两部分内容:一它主要包括两部分内容:一是状是状态标态标志,如:志,如:进进位位标标志(志(C)、)、结结果果为为零零标标志(志(Z)等,大)等,大多数指令的多数指令的执执行将会影响到行将会影响到这这些些标标志位;二志位;二是控制是控制标标志,如:中断志,如:中断标标志、陷阱志、陷阱标标志等。志等。8086的状的状态标态标志寄存器共志寄存器共16位,包括九位,包括九个个标标志位,其中六个
12、志位,其中六个为为状状态标态标志,三个志,三个为为控控制制标标志。志。2009.911.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成CFPFAFZFSFTFIFDFOF015溢出溢出标标志位志位符号符号标标志位志位零零标标志位志位辅辅助助进进位位标标志位志位校校验验标标志位志位进进位位标标志位志位方向方向标标志志中断允中断允许标许标志志陷阱陷阱标标志志2009.912.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.1.3 CPU的的组组成成2009.913.计算机组
13、成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成控制器的主要功能有:控制器的主要功能有:从从主主存存中中取取出出一一条条指指令令,并并指指出出下下一一条条指指令在主存中的位置。令在主存中的位置。对对指指令令进进行行译译码码或或测测试试,产产生生相相应应的的操操作作控制信号,以便启控制信号,以便启动规动规定的定的动动作。作。指指挥挥并并控控制制CPU、主主存存和和输输入入/输输出出设设备备之之间间的数据流的数据流动动方向。方向。运算器的主要功能有:运算器的主要功能有:执执行所有的算行所有的算术术运算;运算;执执行所有的行所有的逻辑逻辑运算,并运
14、算,并进进行行逻辑测试逻辑测试。2009.914.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.1.4 CPU的主要技的主要技术术参数参数1.字字长长 CPU的字的字长长是指在是指在单单位位时间时间内同内同时处时处理的二理的二进进制数据的位数。制数据的位数。CPU按照其按照其处处理信息的字理信息的字长长可以分可以分为为:8位位CPU、16位位CPU、32位位CPU以及以及64位位CPU等。等。2.内部工作内部工作频频率率 内内部部工工作作频频率率又又称称为为内内频频或或主主频频,它它是是衡衡量量CPU速速度度的的重重要要参参数数
15、。CPU的的主主频频表表示示在在CPU内内数数字字脉脉冲冲信信号号震震荡荡的的速速度度,与与CPU实实际际的的运运算算能能力力并并没没有有直直接接关关系系。因因此此主主频频仅仅是是CPU性性能能表表现现的的一一个方面,而不代表个方面,而不代表CPU的整体性能。的整体性能。2009.915.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 内内部部时时钟钟频频率率的的倒倒数数是是时时钟钟周周期期,这这是是CPU中中最最小小的的时时间间元元素素。每每个个动动作作至至少少需需要要一个一个时钟时钟周期。周期。3.外部工作外部工作频频率率 CP
16、U除除了了主主频频之之外外,还还有有另另一一种种工工作作频频率率,称称为为外外部部工工作作频频率率,它它是是由由主主板板为为CPU提供的基准提供的基准时钟频时钟频率。率。2009.916.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成 早早期期,CPU的的内内频频就就等等于于外外频频。例例如如:80486DX-33的的 内内 频频 是是 33MHz,它它 的的 外外 频频 也也 是是33MHz。也也就就是是说说,80486DX-33以以33MHz的的速速度度在在内内部部进进行行运运算算,也也同同样样以以33MHz的的速速度度与与外外
17、界界沟沟通通。目目前前,CPU的的内内频频越越来来越越高高,相相比比之之下下主主存存的的速速度度还还很很缓缓慢慢,如如果果外外频频设设计计得得跟跟内内频频同同步步,则则主主存存都都将将无无法法跟跟上上CPU的的速速度度。所所以以现现在在外外频频跟跟内内频频不不再再只只是是一一比比一一的的同同步步关关系系,从从而而出出现现了了所所谓谓的的内内部部倍倍频频技技术术,导导致致了了“倍倍频频”的的出出现现。内内频频、外外频频和倍和倍频频三者之三者之间间的关系是:的关系是:内内频频=外外频频倍倍频频 理理论论上上倍倍频频是是从从1.5一一直直到到无无限限,以以0.5为为一一个个间间隔隔单单位。位。200
18、9.917.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成4.前端前端总线频总线频率率 前端前端总线总线(Front Side Bus),通常用),通常用FSB表表示,它是示,它是CPU和外界交和外界交换换数据的最主要通道,主数据的最主要通道,主要要连连接主存、接主存、显显卡等数据吞吐率高的部件,因此前卡等数据吞吐率高的部件,因此前端端总线总线的数据的数据传输传输能力能力对计对计算机整体性能作用很大。算机整体性能作用很大。在在Pentium 4出出现现之之前前,前前端端总总线线频频率率与与外外频频是是相相同同的的,因因此此往往往往直
19、直接接称称前前端端总总线线频频率率为为外外频频。随随着着计计算算机机技技术术的的发发展展,需需要要前前端端总总线线频频率率高高于于外外频频,因因此此采采用用了了QDR(Quad Date Rate)技技术术或或者者其其他他类类似似的的技技术术,使使得得前前端端总总线线频频率率成成为为外外频频的的2倍、倍、4倍甚至更高。倍甚至更高。2009.918.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成5.片内片内Cache的容量的容量 片片内内Cache又又称称CPU Cache,它它的的容容量量和和工工作作速速率率对对提提高高计计算算机机
20、的的速速度度起起着着关关键键的的作作用用。CPU Cache可可以以分分为为L1 Cache、L2 Cache,部部分分高高端端CPU还还具具有有L3 Cache。L1 Cache的的容容量量基基本本在在4KB到到64KB之之间间,L2 Cache的的容容量量则则从从128KB2MB不不等等。L2 Cache是是影影响响CPU性性能能的的关关键键因因素素之之一一,在在CPU核核心心不不变变化化的的情情况况下下,增增加加L2 Cache的的容容量量能能使使性性能能大大幅幅度度提提高高,而而同同一一核核心心CPU的的高高低低端端之之分分往往往往也也是是在在L2 Cache上上有有差异。差异。200
21、9.919.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成6.工作工作电压电压 工工作作电电压压指指的的是是CPU正正常常工工作作所所需需的的电电压压。7.地址地址总线宽总线宽度度 地地址址总总线线宽宽度度决决定定了了CPU可可以以访访问问的的最最大大的的物物理理地地址址空空间间,简简单单地地说说就就是是CPU到到底底能能够够使使用用多多大大容容量量的的主主存存。例例如如,Pentium有有32位位地地址址线线,可可寻寻址址的的最最大大容容量量为为2324096MB(4GB),Itantium有有44位位地地址址线线,可可寻寻址的最
22、大容量址的最大容量为为24416TB。2009.920.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成8.数据数据总线宽总线宽度度 数据数据总线宽总线宽度度则则决定了决定了CPU与外部与外部Cache、主存以及主存以及输输入入输输出出设备设备之之间进间进行一次数据行一次数据传传输输的信息量。如果数据的信息量。如果数据总线为总线为32位,每次最位,每次最多可以多可以读读写主存中的写主存中的32位;如果数据位;如果数据总线为总线为64位,每次最多可以位,每次最多可以读读写主存中的写主存中的64位。位。数据数据总线总线和地址和地址总线总线
23、是互相独立的,数是互相独立的,数据据总线宽总线宽度指明了芯片的信息度指明了芯片的信息传递传递能力,而能力,而地址地址总线宽总线宽度度说说明了芯片可以明了芯片可以访问访问多少个主多少个主存存单单元。元。2009.921.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.1 中央中央处处理器的功能和理器的功能和组组成成9.制造工制造工艺艺 线线宽宽是是指指芯芯片片内内电电路路与与电电路路之之间间的的距距离离,可可以以用用线线宽宽来来描描述述制制造造工工艺艺。线线宽宽越越小小,意意味味着着芯芯片片上上包包括括的的晶晶体体管管数数目目越越多多。Pentium 的的线线宽宽是是0.35m,晶晶
24、体体管管数数达达到到7.5M个个;Pentium 的的线线宽宽是是0.25m,晶晶体体管管数数达达到到9.5M个个;Pentium 4的的线线宽宽是是0.18m,晶晶体体管管数数达达到到42M个个。近近年年来来线线宽宽已已由由0.15m、0.13m、90nm一一直直发发展展到到目目前前最最新新的的65nm,而而45nm和和32nm的的制造工制造工艺艺将是下一代将是下一代CPU的的发发展目展目标标。2009.922.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法 控控制制器器是是计计算算机机系系统统的的指指挥挥中中心心,它它把把运运算
25、算器器、存存储储器器、输输入入/输输出出设设备备等等部部件件组组成成一一个个有有机机的的整整体体,然然后后根根据据指指令令的的要要求指求指挥挥全机的工作。全机的工作。2009.923.计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理6.2 控制器的控制器的组组成和成和实现实现方法方法6.2.1 控制器的基本控制器的基本组组成成微操作微操作信号信号发发生器生器程序程序计计数器数器PC地址形成部件地址形成部件译码译码器器节节拍拍发发生器生器 时钟时钟中断控制中断控制逻辑逻辑状状态态寄存器寄存器操作操作码码地址地址码码指令寄存器指令寄存器IR中断中断请请求求控制台信息控制台信息I/O状状态信
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