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第二章 微處理器及其管理,微處理器的功能結構,控制單元：協(xié)調和控制出現在中央處理器單元中的所有操作，還與輸入/輸出設備進行通信。 算術/邏輯單元（ALU）：計算機的“計算器”，完成兩種類型的操作。 算術操作：加、減、乘、除。 邏輯操作：比較操作。 寄存器：CPU內部存儲運算數據和系統(tǒng)信息，相似于內存的單元，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中起著控制計算機操作的作用。對用戶透明寄存器至少包括程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）等。 2．可遍程寄存器 通用寄存器:存放數據，也可存放數據的地址 。 地址寄存器：存放地址，也稱為地址指針寄存器。 標志寄存器：保存程序的運行狀態(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)。指令系統(tǒng)的設計是計算機系統(tǒng)設計中的一個核心問題。,圖 指令周期,MOV CL, 10 MOV AH, AL ADD CL, 5,操作碼與操作數 計算機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。,一臺計算機指令系統(tǒng)的指令少則幾十條，多則幾百條。因此，不同類型的計算機，其硬件的功能差異很大，相應地，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）數據傳送類指令 （2）算術運算類指令 （3）邏輯運算和 移位操作指令 （5）字符串操作指令 （6）程序控制轉移類指令 （7）處理器控制類指令,指令的類型,CPU需要通過某個接口與主板連接的才能進行工作。CPU經過這么多年的發(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，對應到主板上就有相應的插座類型(Socket)。 3.卡式接口。對應到主板上就有相應的插槽類型(Slot)。 CPU接口類型不同，在插孔數、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,,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SLOT 1接口的產品。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 技術結構,提高制作工藝 改進CPU的系統(tǒng)結構，使CPU工作流程更合理，提高單位時間內的執(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，是現代處理器設計中最為關鍵的技術之一。,2.2.2 指令流水線,,(a) 四階段流水線,(b) 四階段流水線時間重疊情況,超標量（super scalar）處理機采用資源重復的并行性思想，設置多條指令流水線和多個功能部件。每個周期發(fā)送多條指令同時并行地對多條指令進行流水線處理。,2.2.3 Pentium超標量技術,,三發(fā)射超標量流水線,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，而按實際情況分發(fā)各相應單元進行處理，而執(zhí)行結果重新按原程序的指令順序排列后返回程序。 分支預測(branch prediction)和推測(speculation execution)執(zhí)行：在指令結果出來之前，預測指令是否產生分支轉移，并推測執(zhí)行。采用轉移目標緩沖存儲器（Branch Target Buffer，BTB)保存最近轉移指令的相關歷史記錄。,2.2.4 Pentium動態(tài)執(zhí)行技術,復雜指令系統(tǒng)計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）是隨著計算機科學和微電子等相關學科的發(fā)展，為滿足實際應用的需要，同時照顧到計算機兼容性等諸多因素而出現的。并且，由于微處理器的功能越來越強，所以它的結構也越來越復雜。,2.3 復雜指令系統(tǒng)計算機和精簡指令計算機,,典型CISC處理器結構,采用RISC技術可以簡化指令系統(tǒng)的設計，適合超大規(guī)模集成電路的實現，可以提高機器的執(zhí)行速度和效率，降低設計成本，提高系統(tǒng)的可靠性等等。RISC技術在某些領域取得的令人矚目的成就，對CISC技術構成了強有力的沖擊。各具特色的RISC芯片不斷涌現，并在許多領域已顯示出其固有的優(yōu)勢，可以說RISC技術極具生命力。,,RISC處理器的結構,精簡指令條數，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,2.3.2 RISC技術要點,操作數尋址方式，就是形成操作數有效地址的方法。,,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技術歷史悠久，技術成熟，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一定會取代CISC。相反，它們在激列的市場競爭中，相互取長補短，不斷完善?，F有許多處理器都使用相同的電路技術，兼有RISC和CISC的混合特征。因此，RSC和CISC體系結構間的的界限已變得相當模糊。,MMX（Multi Media Extension)技術：新增57條多媒體指令，采用64位“壓縮整型數據”，實現單指令多數據（SIMD：single instruction multiple data）。,2.4 Pentium的多媒體和超線程技術,90年代以來，傳統(tǒng)的32位整數和浮點指令集難以勝任大量的多媒體數據、互連網應用、2D/3D圖形處理的需要。,新增70條SIMD指令，加快浮點運算能力，使游戲軟件性能提高。 3D運算及動畫處理、圖形處理 多媒體應用中的音頻、視頻的編碼和解碼能力 語音識別及聲音的壓縮合成,2.4.2 Pentium Ⅲ的SSE技術,SSE（streaming SIMD extension)技術：單指令多數據擴展。為克服MMX不能提高浮點運算缺點。,進程：多任務系統(tǒng)中，系統(tǒng)為不同任務生成一個程序的多個copy，這些同一任務的多個copy，就是進程。 多個進程共享一個CPU，但任一時刻一個CPU只有一個進程執(zhí)行，多個進程按順序輪流進入CPU執(zhí)行，由于輪換時間短，從宏觀上看，每一個進程都在運行。 系統(tǒng)要付出較大處理時間和存儲空間保存切換時的進程信息，降低了系統(tǒng)性能。,2.4.3 超線程技術,HTT: Hyper-Threading Technology,線程：是進程內的基本調度和分配單位，只占用極少數資源（程序計數器、一組寄存器等） 線程是由進程進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,HTT: Hyper-Threading Technology,2.3 處理器實例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處理器是復雜指令集計算機（CISC）幾十年來設計、努力的結晶，它采用了過去只有大型機和超級計算機才會采用的設計原則，是CISC體系結構的優(yōu)秀典范。,1．Pentium處理器的結構 Pentium處理器采用了全新的設計，由32位地址線和64位數據總線以及高性能浮點處理部件構成的高性能微處理器。 執(zhí)行單元可以高速完成各種算術和邏輯運算。它包括兩個整數ALU和一個浮點ALU，分別執(zhí)行整數和浮點數的運算。,,圖2.21 Pentium處理器的內部結構示意圖,2．Pentium處理器的特點 Pentium處理器的結構雖然與80486及以前處理器的結構有很大改進，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。 （1）指令Cache與數據Cache分開，提高了計算機執(zhí)行的并行性。 （2）采用了超標量技術，在處理器內部設計了兩條指令流水線，U流水線和V流水線。,（3）浮點部件采用運算流水線結構，使Pentium處理器的速度是i486處理器速度的2～3倍。 （4）具有轉移指令預測功能。通過轉移目標緩沖器（Branch Target Buffer，BTB）來預測轉移指令。,2.4 處理器實例2：Power PC處理器,Power PC是由IBM、Apple和Motorola三個公司聯合開發(fā)，采用超標量的RISC體系結構的微處理器。Power PC系列包括601、603、604e、620、630、G3（740/750）和G4等。它主要是為具有較好軟件兼容性的商業(yè)應用而設計的。,,圖2.22 Power PC 620結構框圖,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）。它是以標準處理器為核心，將各種不同處理器或外圍接口芯片進行二次集成而形成的高集成度處理器。它廣泛應用于過程控制、工業(yè)控制、智能化儀器及儀表、數據檢測與采集、家用電器等軍事和民用領域。,嵌入式微處理器的時鐘頻率一般為幾十兆赫茲（MHz），目前可以達到200MHz以上。 根據世界半導體貿易統(tǒng)計協(xié)會（WSTS）藍皮書的統(tǒng)計，從銷售數量計，包括Intel的Pentium系列、AMD的Athlon、IBM和Motorola的Power PC等用于通用計算機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銷售量的94%，達到50億個。,