N計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)第2章.ppt

《N計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)第2章.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《N計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)第2章.ppt（46頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

上課公用信息郵箱：上面有講課PPT,Email:tju101@Password:tju101tju101,第2章微處理器,,2.1節(jié)微處理器的基本知識(shí),一、微處理器的發(fā)展歷程（書上P26）1.Intel公司的CPU是主流。2.字長：4位、8位、16位、32位和64位,二、微處理器的組成,1.控制器①指令寄存器②指令譯瑪器③時(shí)序和邏輯控制單元主要功能就是取出指令，分析執(zhí)行，并對(duì)個(gè)主要部件進(jìn)行運(yùn)行控制。注：程序計(jì)數(shù)器PC是記錄了當(dāng)前執(zhí)行位置小部件。,,2.運(yùn)算器(ArithmeticLogicUnit)用于算術(shù)邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算用于處理數(shù)字，邏輯運(yùn)算用于處理字符。3.寄存器：主要用于臨時(shí)存放程序運(yùn)行的各種中間數(shù)據(jù)。分為兩大類。,,①第一類用戶不可以訪問的寄存器稱為內(nèi)部專用寄存器。對(duì)用戶透明的。例如：指令寄存器，專門用于存放取出的指令。它在內(nèi)部工作，用戶不可干預(yù)。②第二類是用戶可以訪問寄存器主要是通過編程來使用這些寄存器，又稱,,為可編程寄存器。以Intel的8086CPU為例這些可編程寄存器還可以分為三大組。a.通用寄存器組?？梢源娣湃魏晤愋偷呐R時(shí)數(shù)據(jù)。其中部分寄存器在乘除運(yùn)算充當(dāng)關(guān)鍵角色。,,b.地址寄存器除了可以存放臨時(shí)數(shù)據(jù)，其中部分寄存器可以存放地址用于指令的尋址操作。c.標(biāo)志寄存器（FlagRegister)用于保存程序的各種運(yùn)行狀態(tài)。（例：溢出）又稱為ProgramStatusWord，狀態(tài)寄存器。,,注：8086CPU一共有14個(gè)用戶可訪問的寄存器。,三、8086CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu),1.從功能上分為兩個(gè)部件。①執(zhí)行單元（ExecutingUnit)主要指令的分析，運(yùn)算執(zhí)行。②總線接口單元(BusInterfaceUnit)主要負(fù)責(zé)與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。詳見：P29圖2.18086CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,四、微處理器的工作模式,8086/8088的硬件工作模式這是指硬件工作模式。由引腳跳線決定。①最小模式：?jiǎn)蜟PU模式②最大模式：多CPU模式。注：多CPU模式主要是用來增加協(xié)處理器,2.8086及以上的軟件工作模式,①8086只有實(shí)模式②80286有實(shí)模式和保護(hù)模式兩種③80386有實(shí)模式、保護(hù)模式和虛擬86三種注：引進(jìn)不同模式主要是CPU構(gòu)造特別是地址線引腳數(shù)量的變化。模式用軟件切換。,補(bǔ)充：8086與8088區(qū)別,①外部數(shù)據(jù)總線寬度。a.808616位數(shù)據(jù)總線寬：D15–D0b.80888位數(shù)據(jù)總線寬：D7–D0②總線接口單元BIU中指令隊(duì)列長度不同。a.80866字節(jié)b.80884字節(jié),五、微處理器的指令系統(tǒng),1.定義指令就是指控制計(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)。,,2.指令助記符。①.最早的指令用二進(jìn)制代碼來表示。②.后來用簡(jiǎn)單的英文縮寫來表示。注：兩者之間的關(guān)系，類似于Internet的IP地址和域名關(guān)系。,3.指令操作碼和操作數(shù),指令有一個(gè)操作碼和若干個(gè)操作數(shù)組成。例如：ADDAX,1234H①.操作碼表示完成的動(dòng)作功能。用助記符表示。這里ADD表示做加法。②.操作數(shù)表示動(dòng)作的對(duì)象。這里有兩個(gè),,(a)源操作數(shù)：1234H只提供參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)來源(b)目的操作數(shù)：AX目的操作數(shù)除了參與運(yùn)算以外，還負(fù)責(zé)保存運(yùn)算結(jié)果。AX+1234?AX（目的操作數(shù)）,4.指令的分類（詳細(xì)見書上P31-P35,①數(shù)據(jù)傳送指令②算術(shù)運(yùn)算指令③邏輯運(yùn)算和移位指令④字符串操作指令⑤控制轉(zhuǎn)移指令⑥處理器控制指令,六、微處理器的轉(zhuǎn)接口(Socket),1.Socket370奔騰３(P3)2.Socket478奔騰４(P4)3.LGA775（SocketT）P4，P4EE，CeleronD4.LGA1156（SocketH）Core，Core2,2.2節(jié)微處理器技術(shù),一、流水線技術(shù)１.指令流水線（InstructionsPipeline）將指令的執(zhí)行過程分為可獨(dú)立執(zhí)行的多個(gè)子過程，各個(gè)子過程都可以在一個(gè)專門的操作部件上完成，各個(gè)部件可以同時(shí)工作。（并行概念）２.指令流水線結(jié)構(gòu)圖（P41圖2.13),①早期的CPU指令的順序執(zhí)行,②重疊進(jìn)行的取指令和執(zhí)行操作,二、動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù),指提高并行處理能力的一系列技術(shù)總稱。１.亂序執(zhí)行（out-of-orderexecution）是指CPU允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序，而是按系統(tǒng)實(shí)際情況。分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。它將能提前執(zhí)行的指令立即發(fā)送給相應(yīng)電路單元執(zhí)行，在這期間不按規(guī)定順序執(zhí)行指令，然后重新將各執(zhí)行單元結(jié)果按指令順序重新排列。（注：這和考試中先做會(huì)做的題目極其相似）,2.分枝預(yù)測(cè)和推測(cè)執(zhí)行技術(shù),①分支預(yù)測(cè)（BranchPrediction)指在指令結(jié)果出來前預(yù)測(cè)指令是否產(chǎn)生分支轉(zhuǎn)移。②推測(cè)執(zhí)行(SpeculationExecution)指在分支預(yù)測(cè)后，進(jìn)行的推測(cè)執(zhí)行。注：預(yù)測(cè)執(zhí)行的本質(zhì)是避免流水線空閑。假如預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，需要額外幾個(gè)時(shí)鐘周期刷新流水線。,三、多內(nèi)核技術(shù),多內(nèi)核是指在一枚處理器中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算核心注1：實(shí)際上不是想象中的把多個(gè)核心封裝在一起那么簡(jiǎn)單。因?yàn)檫@多個(gè)核心之間要交換信息，而不是完全相互獨(dú)立隔絕的。這就涉及到最致命的內(nèi)部總線公用問題。,四、多媒體和超線程技術(shù),1.MMX技術(shù)(MultiMediaExtension)①針對(duì)windows圖形界面的興起，增加了57條多媒體指令。②其關(guān)鍵技術(shù)是單指令多數(shù)據(jù)。適合處理圖形的填充處理。,2、SSE技術(shù),①單指令多數(shù)據(jù)的擴(kuò)展。（StreamingSingleinstructionmultipledata-Extensions)②在MMX基礎(chǔ)上增加了70條指令。③增加了指令用于圖形圖像處理的浮點(diǎn)運(yùn)算操作。主要是為了3D動(dòng)畫。,,④使得多媒體信號(hào)的軟件解壓縮碼成為可能。注：在這個(gè)之前，處理聲音、視頻信號(hào)都需要硬件來完成的。⑤SSE2,SSE3和SSE4,3.超線程技術(shù),①定義：是一種利用特殊的硬件技術(shù)，將物理處理器分成邏輯處理器單元的技術(shù)。一個(gè)物理處理器，虛擬成兩個(gè)處理內(nèi)核。又稱為邏輯雙核處理器。,,②進(jìn)程與線程。a.進(jìn)程：當(dāng)多個(gè)任務(wù)共同執(zhí)行時(shí)，一個(gè)程序按多任務(wù)進(jìn)行組織。系統(tǒng)要為不同任務(wù)生成一個(gè)程序的多個(gè)拷貝。使得這些任務(wù)得以并行執(zhí)行，這些任務(wù)的拷貝就是進(jìn)程。,,注1：進(jìn)程是同一程序的不同體現(xiàn)，并且能并發(fā)執(zhí)行。各進(jìn)程間的指令是獨(dú)立的。注2.進(jìn)程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中分配和管理資源的單位。注3.進(jìn)程的特征書上P45,,注4：每個(gè)進(jìn)程都可以對(duì)系統(tǒng)資源（CPU，MEM，IO）等支配。仿佛是獨(dú)占的，稱為進(jìn)程虛擬機(jī)。,b.線程,注1.進(jìn)程內(nèi)的基本調(diào)度和分配單位。它是指可以和其他進(jìn)程共享的資源。（Active概念）注2：線程是進(jìn)程共享的資源。原來是采用分時(shí)輪流使用的方式。,③.超線程(Hyper-Threading),a.超線程技術(shù)就是利用特殊的硬件指令，把兩個(gè)邏輯內(nèi)核模擬成兩個(gè)物理芯片，讓單個(gè)處理器都能使用線程級(jí)并行計(jì)算，進(jìn)而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件，減少了CPU的閑置時(shí)間，提高CPU的運(yùn)行效率。b.超線程改變了線程分享概念，仿佛是獨(dú)占了一個(gè)線程（CPU資源）。（邏輯獨(dú)占）,,c.超線程技術(shù)理論上，在一個(gè)CPU內(nèi)部可以像兩顆CPU一樣在同一時(shí)間執(zhí)行兩個(gè)線程，P4處理器需要多加入一個(gè)LogicalCPUPointer（邏輯處理單元指針）。因此新的P4超線程die的面積比老的P4增大了5%。而其余部分如ALU（整數(shù)運(yùn)算單元）、FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算單元）、L2Cache（二級(jí)緩存）則保持不變，這些部分是被分享的。,,d.雖然采用超線程技術(shù)能同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)線程，但它并不象兩個(gè)真正的CPU那樣，每個(gè)CPU都具有獨(dú)立的資源。當(dāng)兩個(gè)線程要同時(shí)需要某些共享的資源時(shí)，其中一個(gè)還是要暫停，并讓出資源，直到這些資源閑置后才能繼續(xù)。因此超線程的性能并不等于兩顆CPU的性能。,五、RISC技術(shù),1.復(fù)雜指令集計(jì)算CISC（ComplexInstructionSetComputing）①在CISC微處理器中，指令數(shù)量很多，編程很方便。幾乎每種想要的操作都有現(xiàn)成的指令可供使用。一般的指令系統(tǒng)都有幾百條指令。,②CISC特點(diǎn),a.指令代碼長短不一致。執(zhí)行時(shí)間周期也不一樣。b.程序設(shè)計(jì)方便，相對(duì)比較短小，功能強(qiáng)大。c.在80%的工作情況下，只使用其中20%的指令。只在20%的情況下，才使用其余80%的指令。注：多流水線的出現(xiàn)，這個(gè)大小不一成了問題。,２.精簡(jiǎn)指令集計(jì)算RISC,(ReducedInstructionSetComputing)①只使用占20%的使用率達(dá)80%的常用指令。②精簡(jiǎn)其余80%的不常用指令。③硬件簡(jiǎn)化，優(yōu)化。(IntelCPU不是完全RISC),3、RISC技術(shù)要點(diǎn),①精簡(jiǎn)了指令數(shù)目。用多條指令完成復(fù)雜指令的功能。②統(tǒng)一指令的長度簡(jiǎn)化的譯碼，便于流水線操作。③增加了寄存器數(shù)量簡(jiǎn)化了指令尋找操作數(shù)的尋址方式。,,④優(yōu)化了指令流水線技術(shù)。指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指令長度固定，尋址方式簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)間一致，為優(yōu)化指令的流水線結(jié)構(gòu)提供了可能。注：常用的IntelCPU不是純RISC。,補(bǔ)充：PowerPC,1.IBM公司在MCA結(jié)構(gòu)的PS/2系統(tǒng)失敗后。被迫退出PC市場(chǎng)后，1991年再和Apple、Motorola結(jié)盟。2.Motorola生產(chǎn)的采用RISC結(jié)構(gòu)的CPU，用于和奔騰競(jìng)爭(zhēng)。3.技術(shù)上先進(jìn)。市場(chǎng)很失敗的東西。,,4.目前在中檔以上服務(wù)器中普遍采用RISC指令系統(tǒng)的CPU，特別是高檔服務(wù)器全都采用RISC指令系統(tǒng)的CPU。5.RISC指令系統(tǒng)更加適合高檔服務(wù)器的操作系統(tǒng)UNIX，現(xiàn)在Linux也屬于類似UNIX的操作系統(tǒng)。6.RISC型CPU與Intel和AMD的CPU在軟件和硬件上都不兼容。,,7.目前在中高檔服務(wù)器中采用RISC指令的CPU主要有以下幾類：PowerPC處理器、SPARC處理器、PA-RISC處理器、MIPS處理器、Alpha處理器。,2.3節(jié)典型微處理器,一、Intel微處理器二、AMD微處理器,2.4節(jié)CPU的編號(hào)識(shí)別與性能測(cè)試,①②③④⑤⑥⑦,