上課公用信息郵箱：上面有講課PPT,Email:tju101Password:tju101tju101,第2章微處理器,2.1節(jié)微處理器的基本知識,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.控制器指令寄存器指令譯瑪器時序和邏輯控制單元主要功能就是取出指令，分析執(zhí)行，并對個主要部件進行運行控制。注：程序計數(shù)器PC是記錄了當前執(zhí)行位置小部件。,2.運算器(ArithmeticLogicUnit)用于算術(shù)邏輯運算。算術(shù)運算用于處理數(shù)字，邏輯運算用于處理字符。3.寄存器：主要用于臨時存放程序運行的各種中間數(shù)據(jù)。分為兩大類。,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。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時數(shù)據(jù)。其中部分寄存器在乘除運算充當關(guān)鍵角色。,b.地址寄存器除了可以存放臨時數(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.標志寄存器（FlagRegister)用于保存程序的各種運行狀態(tài)。（例：溢出）又稱為ProgramStatusWord，狀態(tài)寄存器。,注：8086CPU一共有14個用戶可訪問的寄存器。,三、8086CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu),1.從功能上分為兩個部件。執(zhí)行單元（ExecutingUnit)主要指令的分析，運算執(zhí)行?？偩€接口單元(BusInterfaceUnit)主要負責與外部進行數(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。最小模式：單CPU模式最大模式：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,8086只有實模式80286有實模式和保護模式兩種80386有實模式、保護模式和虛擬86三種注：引進不同模式主要是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。,補充：8086與8088區(qū)別,外部數(shù)據(jù)總線寬度。a.808616位數(shù)據(jù)總線寬：D15D0b.80888位數(shù)據(jù)總線寬：D7D0總線接口單元BIU中指令隊列長度不同。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算機執(zhí)行某種操作的命令，也稱為機器指令。我們將一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。,2.指令助記符。.最早的指令用二進制代碼來表示。.后來用簡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),指令有一個操作碼和若干個操作數(shù)組成。例如：ADDAX,1234H.操作碼表示完成的動作功能。用助記符表示。這里ADD表示做加法。.操作數(shù)表示動作的對象。這里有兩個,(a)源操作數(shù)：1234H只提供參與運算的數(shù)據(jù)來源(b)目的操作數(shù)：AX目的操作數(shù)除了參與運算以外，還負責保存運算結(jié)果。AX+1234AX（目的操作數(shù)）,4.指令的分類（詳細見書上P31-P35,數(shù)據(jù)傳送指令算術(shù)運算指令邏輯運算和移位指令字符串操作指令控制轉(zhuǎn)移指令處理器控制指令,六、微處理器的轉(zhuǎn)接口(Socket),1.Socket370奔騰(P3)2.Socket478奔騰(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).指令流水線（InstructionsPipeline）將指令的執(zhí)行過程分為可獨立執(zhí)行的多個子過程，各個子過程都可以在一個專門的操作部件上完成，各個部件可以同時工作。（并行概念）.指令流水線結(jié)構(gòu)圖（P41圖2.13),早期的CPU指令的順序執(zhí)行,重疊進行的取指令和執(zhí)行操作,二、動態(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。.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)實際情況。分開發(fā)送給各相應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：這和考試中先做會做的題目極其相似）,2.分枝預測和推測執(zhí)行技術(shù),分支預測（BranchPrediction)指在指令結(jié)果出來前預測指令是否產(chǎn)生分支轉(zhuǎn)移。推測執(zhí)行(SpeculationExecution)指在分支預測后，進行的推測執(zhí)行。注：預測執(zhí)行的本質(zhì)是避免流水線空閑。假如預測錯誤，需要額外幾個時鐘周期刷新流水線。,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或多個完整的計算核心注1：實際上不是想象中的把多個核心封裝在一起那么簡單。因為這多個核心之間要交換信息，而不是完全相互獨立隔絕的。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)針對windows圖形界面的興起，增加了57條多媒體指令。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),單指令多數(shù)據(jù)的擴展。（StreamingSingleinstructionmultipledata-Extensions)在MMX基礎(chǔ)上增加了70條指令。增加了指令用于圖形圖像處理的浮點運算操作。主要是為了3D動畫。,使得多媒體信號的軟件解壓縮碼成為可能。注：在這個之前，處理聲音、視頻信號都需要硬件來完成的。SSE2,SSE3和SSE4,3.超線程技術(shù),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)。一個物理處理器，虛擬成兩個處理內(nèi)核。又稱為邏輯雙核處理器。,進程與線程。a.進程：當多個任務共同執(zhí)行時，一個程序按多任務進行組織。系統(tǒng)要為不同任務生成一個程序的多個拷貝。使得這些任務得以并行執(zhí)行，這些任務的拷貝就是進程。,注1：進程是同一程序的不同體現(xiàn)，并且能并發(fā)執(zhí)行。各進程間的指令是獨立的。注2.進程是計算機系統(tǒng)中分配和管理資源的單位。注3.進程的特征書上P45,注4：每個進程都可以對系統(tǒng)資源（CPU，MEM，IO）等支配。仿佛是獨占的，稱為進程虛擬機。,b.線程,注1.進程內(nèi)的基本調(diào)度和分配單位。它是指可以和其他進程共享的資源。（Active概念）注2：線程是進程共享的資源。原來是采用分時輪流使用的方式。,.超線程(Hyper-Threading),a.超線程技術(shù)就是利用特殊的硬件指令，把兩個邏輯內(nèi)核模擬成兩個物理芯片，讓單個處理器都能使用線程級并行計算，進而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件，減少了CPU的閑置時間，提高CPU的運行效率。b.超線程改變了線程分享概念，仿佛是獨占了一個線程（CPU資源）。（邏輯獨占）,c.超線程技術(shù)理論上，在一個CPU內(nèi)部可以像兩顆CPU一樣在同一時間執(zhí)行兩個線程，P4處理器需要多加入一個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)運算單元）、FPU（浮點運算單元）、L2Cache（二級緩存）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)能同時執(zhí)行兩個線程，但它并不象兩個真正的CPU那樣，每個CPU都具有獨立的資源。當兩個線程要同時需要某些共享的資源時，其中一個還是要暫停，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.復雜指令集計算CISC（ComplexInstructionSetComputing）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。,CISC特點,a.指令代碼長短不一致。執(zhí)行時間周期也不一樣。b.程序設(shè)計方便，相對比較短小，功能強大。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)，這個大小不一成了問題。,.精簡指令集計算RISC,(ReducedInstructionSetComputing)只使用占20%的使用率達80%的常用指令。精簡其余80%的不常用指令。硬件簡化，優(yōu)化。(IntelCPU不是完全RISC),3、RISC技術(shù)要點,精簡了指令數(shù)目。用多條指令完成復雜指令的功能。統(tǒng)一指令的長度簡化的譯碼，便于流水線操作。增加了寄存器數(shù)量簡化了指令尋找操作數(shù)的尋址方式。,優(yōu)化了指令流水線技術(shù)。指令結(jié)構(gòu)簡單，指令長度固定，尋址方式簡單，執(zhí)行時間一致，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，用于和奔騰競爭。3.技術(shù)上先進。市場很失敗的東西。,4.目前在中檔以上服務器中普遍采用RISC指令系統(tǒng)的CPU，特別是高檔服務器全都采用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的編號識別與性能測試,