《《CPU基础知识》课件2.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《CPU基础知识》课件2.pptx（59页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、CPU基础知识 制作人：制作者ppt时间：2024年X月目录第第1 1章章 CPU CPU概述概述第第2 2章章 CPU CPU的组成的组成第第3 3章章 指令集和指令指令集和指令第第4 4章章 工作原理工作原理第第5 5章章 处理器架构处理器架构第第6 6章章 缓存和内存缓存和内存第第7 7章章 处理器性能与评估处理器性能与评估第第8 8章章 指令集体系结构指令集体系结构第第9 9章章 总结总结 0101第1章 CPU概述 CPU定义CPU，即中央处理器，是计算机的核心和大脑，负责解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU发展历程早期计算机使用单核CPU，其处理能力有限。单核CPU随着
2、技术的发展，多核CPU被广泛应用，提高了计算机的并行处理能力。多核CPU众核CPU拥有数百甚至数千个核心，用于特定领域如科学研究和高性能计算。众核CPU CPU分类通常用于个人电脑，注重性能与成本平衡。桌面CPU为服务器设计，强调稳定性、可靠性和高性能。服务器CPU用于移动设备，如手机和平板电脑，注重低功耗和高性能。移动CPU CPU性能指标CPU的工作频率，通常以GHz为单位。主频CPU拥有的核心数量，影响并行处理能力。核心数多核CPU中可以同时运行的线程数量。线程数CPU内部的高速存储区域，用于临时存储频繁访问的数据。缓存 0202第2章 CPU的组成 CPUCPU核心部分核心部分核心部分
3、是核心部分是CPUCPU中执行指令和处理数据的地方，包含算术逻中执行指令和处理数据的地方，包含算术逻辑单元（辑单元（ALUALU）和控制单元等。）和控制单元等。CPU缓存最小但最快的缓存，紧邻CPU核心。L1缓存稍大一些，通常在CPU核心和主内存之间。L2缓存最大的缓存，位于CPU和主内存之间。L3缓存 I/O接口用于连接显卡、网卡等外部设备。PCIe接口连接各种外围设备，如键盘、鼠标和存储设备。USB接口连接硬盘等存储设备。SATA接口 控制器与运算器解释计算机指令并控制其执行。控制器执行算术和逻辑运算。运算器 0303第3章 指令集和指令 指令集类型CPU能够理解和执行的指令集合，常见的有
4、复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两种。最简单的指令格式，包含一个操作码。单字节指令0103 02包含操作码和操作数，可以执行更复杂的操作。多字节指令指令分类用于在寄存器之间传输数据。数据传输指令执行加减乘除等算术运算。算术指令进行逻辑判断和位运算。逻辑指令改变程序的执行流程。控制指令 0404第4章 工作原理 从内存中获取指令。Fetch0103执行指令。Execute02解释指令。Decode流水线技术将指令执行过程分解为多个步骤，每个步骤由不同的硬件完成。指令流水线可以同时执行多个指令的流水线设计。超标量流水线指令按照执行依赖而非原始顺序执行，提高性能。乱序执行 0505第2
5、章 处理器架构 冯诺依曼架构冯诺依曼架构是一种计算机体系结构，它的核心思想是将程序指令和数据存储在同一个存储器中，并通过一条总线进行传输。这种架构具有以下特点：1.指令和数据存储在同一存储器中，方便共享和访问。2.指令和数据通过总线传输，提高了传输效率。3.可以实现复杂的指令集，提高了指令的灵活性。4.易于扩展和升级。冯诺依曼架构冯诺依曼架构被广泛应用于电子计算机中，成为现代计算机的基础。电子计算机冯诺依曼架构也适用于嵌入式系统，如智能手机、平板电脑等。嵌入式系统冯诺依曼架构也被应用于超级计算机中，用于处理大规模数据和复杂计算。超级计算机 CISC与RISC架构CISC（复杂指令集计算机）和R
6、ISC（精简指令集计算机）是两种不同的处理器架构。CISC架构通过增加复杂指令来提高性能，而RISC架构则通过简化指令来提高性能。CISC与RISC架构CISC架构的指令集较为复杂，一条指令可以完成多个操作，而RISC架构的指令集较为简单，一条指令只能完成一个操作。指令集复杂度CISC架构由于指令复杂，需要更多的硬件资源来实现，而RISC架构由于指令简单，可以更高效地利用硬件资源。硬件资源利用率CISC架构由于指令复杂，需要更多的时间来执行，而RISC架构由于指令简单，可以更快速地执行。执行效率 CISC与RISC架构优点：兼容性强，可以执行复杂的指令；缺点：硬件资源利用率低，执行效率慢。CI
7、SC架构优点：硬件资源利用率高，执行效率快；缺点：需要编写更多的指令来完成复杂的操作。RISC架构 超标量与单超标量架构超标量架构和单超标量架构是两种不同的处理器流水线技术。超标量架构可以在一个时钟周期内执行多个指令，而单超标量架构只能在 一个时钟周期内执行一个指令。超标量与单超标量架构超标量架构可以在一个时钟周期内执行多个指令，而单超标量架构只能在 一个时钟周期内执行一个指令。指令执行能力超标量架构通常具有多级流水线，而单超标量架构只有一级流水线。流水线级数超标量架构可以更高效地利用处理器资源，而单超标量架构的资源利用率较低。资源利用率 超标量与单超标量架构优点：提高了指令执行效率，可以充分
8、利用处理器资源；缺点：流水线复杂，增加了功耗和成本。超标量架构优点：结构简单，功耗和成本较低；缺点：指令执行效率较低，资源利用率不高。单超标量架构 多核处理器多核处理器是一种具有多个核心的处理器，每个核心可以独立执行指令和处理数据，通过并行处理提高了计算机的性能。多核处理器所有核心的架构和性能相同，如Intel Core i7处理器。同构多核不同核心的架构和性能不同，如AMD Ryzen处理器。异构多核 多核处理器多核处理器的工作原理是通过将任务分配给不同的核心来并行处理多个任务，从而提高计算机的性能。每个核心独立执行指令和处理数据，通过共享内存和缓存来协同工作，实现了多任务的高效处理。060
9、6第3章 缓存和内存 缓存概述缓存是位于CPU和主内存之间的一种小容量高速存储器，它的作用是存储频繁访问的数据和指令，以减少CPU访问主内存的次数，提高计算机的运行速度。缓存概述位于CPU内部，容量较小，速度最快，通常只有几十KB。一级缓存位于CPU外部，容量较大，速度较慢，通常有几十MB。二级缓存位于CPU外部，容量最大，速度最慢，通常有数GB。三级缓存 缓存概述缓存一致性是指缓存中的数据与主内存中的数据保持一致。在多核处理器中，每个核心都有自己的缓存，缓存一致性确保了每个核心看到的缓存数据是最新的。缓存的工作原理缓存读取的过程包括查找、读取和更新三个步骤。查找步骤是确定请求的数据是否在缓存
10、中，读取步骤是从缓存中获取数据，更新步骤是更新缓存中的数据。缓存的工作原理缓存写入的过程包括写入缓存、更新内存和失效其他缓存三个步骤。写入缓存是将数据写入缓存中，更新内存是将缓存中的数据写入主内存中，失效其他缓存是清除其他核心的缓存中的旧数据。缓存的工作原理缓存失效策略是指当缓存中的数据不再有效时，如何从主内存中重新获取数据并更新缓存。常见的缓存失效策略包括写后失效、读后失效和写入失效。内存技术DRAM使用存储单元来存储数据，每个存储单元可以存储一个字节。存储单元DRAM需要定期进行刷新，以保持数据的正确性。刷新机制DRAM的速度较慢，通常比SRAM慢。速度 内存技术SRAM使用存储单元来存储
11、数据，每个存储单元可以存储一个字节。存储单元SRAM不需要刷新，因为它的数据不会消失。刷新机制SRAM的速度较快，通常比DRAM快。速度 内存技术NAND Flash使用存储单元来存储数据，每个存储单元可以存储多个字节。存储单元NAND Flash采用非挥发性存储技术，可以多次读写。读写方式NAND Flash的速度较慢，通常比DRAM和SRAM慢。速度 内存层次结构内存层次结构是指计算机内存的层次组织，它包括多个不同速度和容量的存储器，从高速缓存到主内存到辅助存储器。内存层次结构优点：速度快，容量小；缺点：成本高，容量有限。缓存优点：容量大，成本低；缺点：速度慢，访问时间长。主内存优点：容量
12、最大，成本最低；缺点：速度最慢，访问时间最长。辅助存储器 0707第4章 处理器性能与评估 处理器性能指标处理器性能指标是衡量CPU性能的关键参数，其中包括每秒指令数（IPC）、时钟频率和功耗等。IPC是衡量CPU单线程性能的重要指标，时钟频率决定了CPU的运行速度，而功耗则是影响CPU能效的重要因素。性能评估方法使用标准测试程序衡量CPU性能基准测试在实际应用场景中评估CPU性能实际应用测试 优化指令执行效率指令优化0103 02改进CPU架构设计架构优化处理器性能发展趋势处理器的性能发展趋势受到摩尔定律和架构创新的共同影响。摩尔定律预测了处理器性能的逐年提升，而架构创新则不断推动CPU性能
13、的突破。0808第5章 指令集体系结构 指令集概述指令集是CPU能够理解和执行的指令集合，它定义了CPU的基本操作。指令集可以分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）等不同类型。常见的指令集体系结构广泛应用于桌面和服务器CPUx86主要应用于移动设备CPUARM曾经在嵌入式系统中流行MIPS 指令格式与指令编码指令格式是指令集的一种表示方式，它定义了指令的组成部分。指令编码是将指令格式转换为CPU可以理解和执行的二进制代码的过程。指令集的扩展与兼容性为了提升处理器的性能和功能，指令集需要进行扩展。在扩展时需要遵循一定的兼容性原则，以确保新的指令能够与旧的指令集兼容。0909第6章 总
14、结 CPU的主要组成部分CPU主要由控制单元、算术逻辑单元（ALU）、寄存器及缓存组成。这些部件协同工作，执行指令、处理数据。处理器架构的发展趋势现代处理器趋向于拥有多个核心，提高处理多任务的能力。多核化结合不同类型的处理单元（如CPU和GPU）来优化性能和功耗。异构计算集成专门用于机器学习和人工智能计算的加速器。集成的AI加速器 通过优化指令执行来提升CPU性能。指令级并行0103允许单个物理核心同时处理多个任务。超线程技术02运行多个线程同时执行任务以提高效率。多线程指令集体系结构的特点指令集体系结构定义了CPU可以理解和执行的指令集合。它决定了程序如何与硬件交互，并影响着软件兼容性和性能。再会！