x86CPU架构.ppt

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1、Intel现代CPU结构与技术CPU结构与性能P4CPU结构与技术双核CPU结构与技术22021/10/9第一部分CPU结构与性能32021/10/9一、哪些因素影响系统性能？系统性能：正确性、可靠性、工作能力工作能力：◇处理能力--MIPS、MFLOPS◇响应能力—响应、周转、排队时间◇利用率—T工作/(T工作+T空闲)不同对象关注的性能：◇购买者—处理能力◇设计者—处理能力、响应能力、利用率42021/10/9操作系统工作原理：◇硬件(存储器、设备)管理◇作业(进程)的管理、调度与控制时间目标程序1目标程序2操作系统回7页编译程序工

2、作原理：源程序翻译目标程序(高级语言程序)(机器语言程序)回9页52021/10/9指令执行时间(=CPI×TC)：T指令=T取指+T译码+T取操作数+T执行+T写结果012345610n×5Tc1n1n1n部件存数WB执行Ex2执行Ex1取数OF译码ID取指IF1…n1n22222CPI×TC响应能力(主要指程序占用CPU的时间)：即：TCPU=In×CPI×TC，其中CPI=(∑CPIi)/N回下页回11页62021/10/9影响系统性能的主要因素：◇操作系统—系统管理的效率◇编译程序—源程序→目标程序的效率◇指令系统—指令的数量、

3、功能◇CPU结构—指令的执行效率◇存储系统—存取速度、带宽◇时钟频率—时钟速度转5页转上页72021/10/9二、如何提高系统性能？软件方面：提高编译程序、OS效率硬件方面：◇提高指令系统性能—增加新功能指令等◇提高时钟频率—改进器件、电路等技术◇改进结构—提高CPI(CyclesperInstruction)提高ILP(InstructionLevelParallel)◇优化存储系统及I/O系统82021/10/9三、CPU结构发展回顾(怎样提高性能)1、目标程序的执行过程（1）冯·诺依曼模型原理存储程序(I和D在同一MEM中)、程序

4、控制(按IP执行指令)。（2）任务启动（3）任务管理转5页转下页回11页CPUMEMDISKPCB①创建PCB②拷贝程序③填充PCB④复制REGs内容⑤按IP执行产生请求说明：进程控制块PCB保存在MEM中I/O92、8086CPU结构与功能ALU数据总线（16位）运算寄存器ALU标志寄存器译码与控制执行单元EU123456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BIUAHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI通用寄存器AXBXCXDX∑CSDSESSSIP内部暂存器数据总线8086:16位地址总线20位指令指针段寄

5、存器特征：16位字长、20位地址总线、实地址存储管理CPU功能：①实现机器语言指令系统各指令功能；指令系统={指令1，指令2，…，指令N}②执行单条指令及连续执行指令功能。执行单条指令过程：取指、译码、取操作数、执行、写回结果连续执行指令过程：OS—已设置了初始环境(IP、段/通用REG等)①执行IP对应处的单条指令，并修改IP；②检测并处理中断(硬件、软件中断)；③重复①，直到有中断(如OS切换程序)产生。3、CPU结构与技术的发展（1）操作级结构与技术的发展a)改进部件—◇优化性能(如机器字长32位、提高主频)◇增加功能(如指令功能

6、、指令数)内部总线控制器指令队列总线接口单元BIU外部总线译码器寄存器组加法器浮点部件乘法器转移部件32bit122021/10/9b)改进存储系统—◇采用虚拟存储器(有效支持多任务系统模式)程序１代码段　数据段　　其他段０X…０Ｙ…０Ｚ……程序N代码段　数据段　　其他段０Ａ…０Ｂ…０Ｃ……主存……TLB(TranslationlooksideBuffer)０M存储管理MMU回下页132021/10/9◇增设Cache→多级Cache利用程序访存局部性规律，提高访存速度（解决CPU-MEM瓶颈）。内部总线控制器指令队列总线接口单元BIU

7、外部总线译码器寄存器组加法器浮点部件TLB乘法器转移部件32bitL2CacheL1Cache◇改善系统总线性能提高总线时钟频率、增加A/D宽度、总线分级回下页转上页回20页转12页回31页142021/10/9c)改进CPU结构—采用流水线及超级流水线技术流水线段：取指、译码、取操作数、执行、写回段01234567Tc普通流水线：ILP(1,1)123…n123…n13…n2段WBEx2Ex1OFIDIF123…n说明：ILP(m,n)--m为同时启动的指令或操作，n为每个Tc启动次数。123…n012345Tc超级流水线：ILP(1

8、,2)段WBEx2Ex1OFIDIF123456…n123456…n123456…n123456…n123456…n需解决问题：⑴结构相关(资源使用冲突)；⑵指令间数据相关及控制相关；⑶提高部件的利用率。回