Intel 现代CPU结构与技术.ppt

Intel 现代CPU 结构与技术
东南大学计算机学院任国林
Email:******@seu.
11/15/2018
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讲座内容:
☆ CPU结构与性能
☆ PⅢ CPU结构与技术
☆ P4 CPU结构与技术
☆多核CPU结构与技术
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第一部分
CPU结构与性能
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一、冯·诺依曼模型与8086 CPU
1、冯·诺依曼模型与程序执行过程
◇冯·诺依曼模型核心:存储程序原理②、程序控制流思想④
取指阶段
译码
执行阶段
取指令(i)
取数
执行
写结果
PC
当前指令地址(i)
IR
ALU
ID
当前指令内容
源操作数
目的操作数
存储器①存储器为按地址访问的一维线性空间;
②指令和数据以同等地位存储与同一存储器中
③指令组成
操作码
源地址码1
源地址码2
目的地址码
取指令(j)
取指阶段
④当前指令结果产生下条指令地址,
指令执行过程循环
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转移型指令、且转移时
ALU
1
④下条指令地址(j)
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2、8086 CPU结构
◇结构特征:通用寄存器结构,由EU及BIU组成;
16位机器字长、20位地址、实地址存储管理
◇指令执行过程:由串行的IF、ID、OF、EX、WB阶段组成
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ALU数据总线(16位)
运算锁存器
标志寄存器
译码与控制
执行单元EU
1 2 3 4 5 6
总线控制逻辑
指令队列
Q总线
(8位)
外部
总线
总线接口单元BIU
CS
DS
ES
SS
IP
内部暂存器
数据总线
8086:16位
地址总线20位
指令指针
段寄存器
AH AL
BH BL
CH CL
DH DL
SP
BP
DI
SI
通用寄存器
AX
BX
CX
DX
ALU
∑
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二、计算机系统性能及影响因素
1、计算机系统性能指标
◇响应时间:指从任务输入→结果输出的总时间;
即T响应=TCPU+TIO,TCPU=IN×CPI×TC=IN×T指令,
其中IN为程序指令数,指令所需时钟周期数CPI=(∑CPIi)/IN
Tc
1
1
1
指令执行步骤
存数WB
执行EX2
执行EX1
取数OF
译码ID
取指IF
1
…
2
2
2
2
2
CPI1×TC
1
CPI2×TC
◇吞吐率:指单位时间内可处理的任务个数。
即吞吐率=n÷(∑TCPU),其中n为任务个数
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◇软件因素:
*编译程序—源程序→目标程序的翻译效率(如IN大小)
*操作系统—软硬件的管理效率(如多任务切换时间)
2、影响计算机系统性能的因素
◇硬件因素:
*指令系统—指令系统指令的数量及功能
*CPU结构—指令/程序的执行效率(如步骤、CPIi)
*存储系统—MEM访问的延迟与带宽
*部件组成—功能实现延迟(如主频[1/TC])
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时间
进程1
进程2
操作系统
硬件资源
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3、提高计算机硬件系统性能的方法
◇提高性能的方法:更快的速度、并行工作方式;
◇硬件方面的优化思路:
*提高指令系统性能—增加新功能指令等
*提高主频—改进器件、电路等技术
*改进结构—提高CPI(Cycles per Instruction)
提高ILP(Instruction Level Parallel)
*提高OS效率—增加便于OS工作的相应硬件
*提高访存速度—选择快速器件、改进MEM结构
*提高I/O速度—采用I/O接口、改进I/O方式等
◇冯诺依曼模型的性能瓶颈:CPU-MEM、指令串行执行!
☆结构与技术是硬件性能提高的基本保证!
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三、Intel CPU结构与技术的发展概述
(1)强化CPU部件
◇优化部件性能:增加CPU字长、提高主频、多总线通路;
◇增加指令功能:扩展指令系统(需相应增加硬件);
1、操作级结构与技术的发展
内部总线
(多总线)
控制器
指令队列
总线接口单元BIU
译码器
寄存器组
加法器
浮点部件
乘法器
转移部件
16b→32b
16b→32b
外部总线
转5页(单总线)
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(2)改进存储系统
◇采用虚拟存储器:有效支持多任务OS(减轻程序员负担);
增设快表提高地址变换速度。
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程序1
代码段数据段其他段
0
X
…
0
Y
…