計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)第2章

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,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,1對用戶透明寄存器,這類寄存器對用戶來說是不可訪問的它是在操作系統(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需要通過某個(gè)接口與主板連接的才能進(jìn)行工作CPU經(jīng)過這么多年的發(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，對應(yīng)到主板上就有相應(yīng)的插座類型(,Socket,)3.卡式接口對應(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,Socket F,Socket F是AMD于2006年第三季度發(fā)布的支持DDR2內(nèi)存的AMD服務(wù)器/工作站CPU的接口標(biāo)準(zhǔn)。

與以前的Socket 940接口CPU明顯不同，Socket F與Intel的Socket 775和Socket 771倒是基本類似Socket F接口CPU的底部沒有傳統(tǒng)的針腳，而代之以1207個(gè)觸點(diǎn)，即并非針腳式而是觸點(diǎn)式，通過與對應(yīng)的Socket F插槽內(nèi)的1207根觸針接觸來傳輸信號Socket F接口不僅能夠有效提升處理器的信號強(qiáng)度、提升處理器頻率，同時(shí)也可以提高處理器生產(chǎn)的良品率、降低生產(chǎn)成本Socket F接口的Opteron也是AMD首次采用LGA封裝，支持ECC DDR2內(nèi)存按照AMD的規(guī)劃，Socket F接口將逐漸取代Socket 940接口SLOT 1,SLOT 1是英特爾公司為取代Socket 7而開發(fā)的CPU接口，并申請的專利這樣其它廠商就無法生產(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(branch prediction)和推測(speculation execution)執(zhí)行：,在指令結(jié)果出來之前，預(yù)測指令是否產(chǎn)生分支轉(zhuǎn)移，并推測執(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越強(qiáng)，所以它的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜2.3,復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)和精簡指令計(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，可以說RISC技術(shù)極具生命力RISC處理器的結(jié)構(gòu),精簡指令條數(shù)，但必須優(yōu)化編譯程序,規(guī)范指令格式，指令長度一致,簡化,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，市場占有率高因此我們決不能簡單地說RISC一定比CISC好，RISC一定會(huì)取代CISC相反，它們在激列的市場競爭中，相互取長補(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，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)：,單指令多數(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)一步派生出來的一組指令的執(zhí)行過程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）幾十年來設(shè)計(jì)、努力的結(jié)晶，它采用了過去只有大型機(jī)和超級計(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，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)測功能通過轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖器（Branch Target Buffer，BTB）來預(yù)測轉(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、G,3,（740/750）和G,4,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)用于過程控制、工業(yè)控制、智能化儀器及儀表、數(shù)據(jù)檢測與采集、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)。