第8章 CPU結(jié)構(gòu)和功能

第八章CPU結(jié)構(gòu)和功能,計(jì)算機(jī)組成原理,主講人：張瑞華山東大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,作者：唐朔飛,高等教育出版社,2,內(nèi)容提要,8.4中斷系統(tǒng),8.3指令流水(了解),8.2指令周期,8.1CPU的結(jié)構(gòu),3,8.1CPU的結(jié)構(gòu),一、CPU的功能,取指令,分析指令,執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令,控制程序輸入及結(jié)果的輸出,總線管理,處理異常情況和特殊請(qǐng)求,1.控制器的功能,2.運(yùn)算器的功能,實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算,指令控制,操作控制,時(shí)間控制,數(shù)據(jù)加工,處理中斷,4,二、CPU結(jié)構(gòu)框圖,PCIR,ALU寄存器,中斷系統(tǒng),1.CPU與系統(tǒng)總線,CU時(shí)序電路,8.1,5,2.CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu),8.1,6,1.用戶可見(jiàn)寄存器,(1)通用寄存器,三、CPU的寄存器,存放操作數(shù),可作某種尋址方式所需的專用寄存器,(2)數(shù)據(jù)寄存器,存放操作數(shù)（滿足各種數(shù)據(jù)類型）,兩個(gè)寄存器拼接存放雙倍字長(zhǎng)數(shù)據(jù),(3)地址寄存器,存放地址，其位數(shù)應(yīng)滿足最大的地址范圍,用于特殊的尋址方式段基值棧指針,(4)條件碼寄存器,存放條件碼，可作程序分支的依據(jù),如正、負(fù)、零、溢出、進(jìn)位等,8.1,7,2.控制和狀態(tài)寄存器,(1)控制寄存器,PC,控制CPU操作,(2)狀態(tài)寄存器,狀態(tài)寄存器,其中MAR、MDR、IR用戶不可見(jiàn),存放條件碼,PSW寄存器,存放程序狀態(tài)字,PC用戶可見(jiàn),3.舉例,Z80008086MC68000,MAR,M,MDR,IR,8.1,8,四、控制單元CU和中斷系統(tǒng),1.CU產(chǎn)生全部指令的微操作命令序列,2.中斷系統(tǒng),參見(jiàn)第篇,五、ALU,參見(jiàn)8.4節(jié),參見(jiàn)第章,8.1,9,內(nèi)容提要,8.4中斷系統(tǒng),8.3指令流水,8.2指令周期,8.1CPU的結(jié)構(gòu),10,8.2指令周期,一、指令周期的基本概念,1.指令周期,取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間,完成一條指令,執(zhí)行,取指、分析,取指周期,執(zhí)行周期,11,2.每條指令的指令周期不同,NOP,ADDmem,MULmem,8.2,12,3.具有間接尋址的指令周期,4.帶有中斷周期的指令周期,8.2,13,5.指令周期流程,取指周期,執(zhí)行周期,間址周期,中斷周期,8.2,14,6.CPU工作周期的標(biāo)志,CPU訪存有四種性質(zhì),取指令,取地址,取操作數(shù),存程序斷點(diǎn),取指周期,間址周期,執(zhí)行周期,中斷周期,CPU的4個(gè)工作周期,8.2,15,1.取指周期數(shù)據(jù)流,二、指令周期的數(shù)據(jù)流,CU,MAR,PC,8.2,16,2.間址周期數(shù)據(jù)流,8.2,17,3.執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流,4.中斷周期數(shù)據(jù)流,不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同,8.2,18,作業(yè),3708.4,19,內(nèi)容提要,8.4中斷系統(tǒng),8.3指令流水,8.2指令周期,8.1CPU的結(jié)構(gòu),20,8.3指令流水,一、如何提高機(jī)器速度,1.提高訪存速度,2.提高I/O和主機(jī)之間的傳送速度,提高整機(jī)處理能力,高速芯片,Cache,多體并行,I/O處理機(jī),DMA,多總線,通道,高速器件,改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)系統(tǒng)的并行性,中斷,3.提高運(yùn)算器速度,高速芯片,改進(jìn)算法,快速進(jìn)位鏈,21,二、系統(tǒng)的并行性,時(shí)間上互相重疊,2.并行性的等級(jí),指令級(jí)（指令之間）（指令內(nèi)部）,過(guò)程級(jí)（程序、進(jìn)程）,兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生,兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間段發(fā)生,并行,1.并行的概念,粗粒度,軟件實(shí)現(xiàn),細(xì)粒度,硬件實(shí)現(xiàn),8.3,22,三、指令流水原理,2.指令的二級(jí)流水,1.指令的串行執(zhí)行,取指令取指令部件完成,總有一個(gè)部件空閑,指令預(yù)取,若取指和執(zhí)行階段時(shí)間上完全重疊,指令周期減半速度提高1倍,執(zhí)行指令執(zhí)行指令部件完成,8.3,23,必須等上條指令執(zhí)行結(jié)束，才能確定下條指令的地址，造成時(shí)間損失,3.影響指令流水效率加倍的因素,(1)執(zhí)行時(shí)間取指時(shí)間,(2)條件轉(zhuǎn)移指令對(duì)指令流水的影響,解決辦法？,猜測(cè)法,8.3,24,4.指令的六級(jí)流水,六級(jí)流水,14個(gè)時(shí)間單位,串行執(zhí)行,6954個(gè)時(shí)間單位,完成一條指令,6個(gè)時(shí)間單位,8.3,25,三、影響指令流水線性能的因素,1.結(jié)構(gòu)相關(guān),8.3,不同指令爭(zhēng)用同一功能部件產(chǎn)生資源沖突,程序的相近指令之間出現(xiàn)某種關(guān)聯(lián)使指令流水出現(xiàn)停頓，影響流水線效率,解決辦法,停頓,指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開,指令預(yù)取技術(shù)（適用于訪存周期短的情況）,26,2.數(shù)據(jù)相關(guān),不同指令因重疊操作，可能改變操作數(shù)的讀/寫訪問(wèn)順序,采用旁路技術(shù),解決辦法,8.3,寫后讀相關(guān)（RAW）,讀后寫相關(guān)（WAR）,寫后寫相關(guān)（WAW）,后推法,27,3.控制相關(guān),8.3,由轉(zhuǎn)移指令引起,28,3.控制相關(guān),8.3,29,四、流水線性能,1.吞吐率,單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成指令或輸出結(jié)果的數(shù)量,8.3,最大吞吐率,實(shí)際吞吐率,連續(xù)處理n條指令的吞吐率為,30,2.加速比Sp,8.3,m段的流水線的速度與等功能的非流水線的速度之比,31,由于流水線有建立時(shí)間和排空時(shí)間因此各功能段的設(shè)備不可能一直處于工作狀態(tài),8.3,流水線中各功能段的利用率,3.效率,32,8.3,3.效率,流水線中各功能段的利用率,33,五、流水線的多發(fā)技術(shù),1.超標(biāo)量技術(shù),每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可并發(fā)多條獨(dú)立指令,不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序,配置多個(gè)功能部件,通過(guò)編譯優(yōu)化技術(shù)，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來(lái),8.3,34,2.超流水線技術(shù),在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)再分段（3段）,不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序,在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一個(gè)功能部件使用多次（3次）,靠編譯程序解決優(yōu)化問(wèn)題,流水線速度是原來(lái)速度的3倍,8.3,35,3.超長(zhǎng)指令字技術(shù),采用多個(gè)處理部件,8.3,36,六、流水線結(jié)構(gòu),1.指令流水線結(jié)構(gòu),完成一條指令分7段，每段需一個(gè)時(shí)鐘周期,若流水線不出現(xiàn)斷流,1個(gè)時(shí)鐘周期出1結(jié)果,不采用流水技術(shù),7個(gè)時(shí)鐘周期出1結(jié)果,理想情況下，7級(jí)流水的速度是不采用流水技術(shù)的7倍,8.3,37,2.運(yùn)算流水線,完成浮點(diǎn)加減運(yùn)算可分對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化三段,分段原則每段操作時(shí)間盡量一致,8.3,38,作業(yè),3708.11、8.12流水線問(wèn)題：指令流水線原理？什么是多發(fā)射技術(shù)？多發(fā)技術(shù)有哪幾種？,39,內(nèi)容提要,8.4中斷系統(tǒng),8.3指令流水,8.2指令周期,8.1CPU的結(jié)構(gòu),40,8.4中斷系統(tǒng),一、概述,1.引起中斷的各種因素,(1)人為設(shè)置的中斷,(2)程序性事故,如轉(zhuǎn)管指令,溢出、操作碼不能識(shí)別、除法非法,(5)外部事件,(4)I/O設(shè)備,(3)硬件故障,用鍵盤中斷現(xiàn)行程序,41,2.中斷系統(tǒng)需解決的問(wèn)題,(1)各中斷源如何向CPU提出請(qǐng)求？,(2)各中斷源同時(shí)提出請(qǐng)求怎么辦？,(5)如何尋找入口地址？,(4)如何保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)？,(3)CPU什么條件、什么時(shí)間、以什么方式響應(yīng)中斷？,(6)如何恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，如何返回？,(7)處理中斷的過(guò)程中又出現(xiàn)新的中斷怎么辦？,硬件軟件,8.4,42,二、中斷請(qǐng)求標(biāo)記和中斷判優(yōu)邏輯,1.中斷請(qǐng)求標(biāo)記INTR,一個(gè)請(qǐng)求源一個(gè)INTR中斷請(qǐng)求標(biāo)記觸發(fā)器,多個(gè)INTR組成中斷請(qǐng)求標(biāo)記寄存器,INTR分散在各個(gè)中斷源的接口電路中,INTR集中在CPU的中斷系統(tǒng)內(nèi),8.4,43,2.中斷判優(yōu)邏輯,分散在各個(gè)中斷源的接口電路中鏈?zhǔn)脚抨?duì)器,(1)硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器）,參見(jiàn)第五章P196,8.4,設(shè)備1#、2#、3#、4#優(yōu)先級(jí)按降序排列,44,2.中斷判優(yōu)邏輯,集中在CPU內(nèi),(1)硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器）,INTR1,INTR2,INTR3,INTR4,INTR1、INTR2、INTR3、INTR4優(yōu)先級(jí)按降序排列,8.4,45,A、B、C優(yōu)先級(jí)按降序排列,(2)軟件實(shí)現(xiàn)（程序查詢）,轉(zhuǎn)A的服務(wù)程序入口地址,轉(zhuǎn)B的服務(wù)程序入口地址,轉(zhuǎn)C的服務(wù)程序入口地址,8.4,46,三、中斷服務(wù)程序入口地址的尋找,1.硬件向量法,向量地址12H、13H、14H入口地址200、300、400,8.4,特點(diǎn)：速度快現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍采用,47,2.軟件查詢法,M,8.4,48,四、中斷響應(yīng),1.響應(yīng)中斷的條件,允許中斷觸發(fā)器EINT=1,2.響應(yīng)中斷的時(shí)間,指令執(zhí)行周期結(jié)束時(shí)刻由CPU發(fā)查詢信號(hào),CPU中斷查詢,至排隊(duì)器,8.4,49,3.中斷隱指令,(1)保護(hù)程序斷點(diǎn),(2)尋找服務(wù)程序入口地址,(3)硬件關(guān)中斷,PC,斷點(diǎn)存于特定地址（如0號(hào)地址）內(nèi)或者,斷點(diǎn)進(jìn)棧,INT中斷標(biāo)記,EINT允許中斷,RS觸發(fā)器,8.4,50,五、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng),1.保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),2.恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng),保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),其它服務(wù)程序,恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng),中斷返回,PUSH,視不同請(qǐng)求源而定,POP,中斷服務(wù)程序完成,中斷服務(wù)程序,中斷隱指令完成,中斷服務(wù)程序完成,8.4,IRET,51,1.多重中斷的概念,k,l,m,k+1,l+1,m+1,程序斷點(diǎn)k+1,l+1,m+1,六、中斷屏蔽技術(shù),8.4,52,2.實(shí)現(xiàn)多重中斷的條件,中斷請(qǐng)求,主程序,(2)優(yōu)先級(jí)別高的中斷源有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低的中斷源,(1)提前設(shè)置開中斷指令,8.4,53,3.屏蔽技術(shù),(1)屏蔽觸發(fā)器的作用,MASK=0（未屏蔽）,INTR能被置“1”,MASKi=1（屏蔽）,INTPi=0（不能被排隊(duì)選中）,8.4,1,54,(2)屏蔽字,8.4,55,(3)屏蔽技術(shù)可改變處理優(yōu)先等級(jí),響應(yīng)優(yōu)先級(jí),響應(yīng)優(yōu)先級(jí)ABCD降序排列,8.4,不可改變,處理優(yōu)先級(jí),可改變（通過(guò)重新設(shè)置屏蔽字）,處理優(yōu)先級(jí)ADCB降序排列,56,(3)屏蔽技術(shù)可改變處理優(yōu)先等級(jí),8.4,57,(3)屏蔽技術(shù)可改變處理優(yōu)先等級(jí),(4)屏蔽技術(shù)的其他作用,8.4,便于程序控制,可以人為屏蔽某個(gè)中斷源的請(qǐng)求,58,8.4,(5)新屏蔽字的設(shè)置,置屏蔽字,恢復(fù)屏蔽字,關(guān)中斷,開中斷,59,