第5章中央處理器

1、第第5 5章章 中央處理器中央處理器 本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： CPU的功能和組成的功能和組成 指令周期指令周期 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 微程序控制器微程序控制器 硬連線控制器硬連線控制器 提高提高CPU性能的技術(shù)性能的技術(shù) 中央處理器中央處理器CPU的主要功能是的主要功能是自動(dòng)的自動(dòng)的從主從主 存儲(chǔ)器中取出指令、分析指令和執(zhí)行指令，存儲(chǔ)器中取出指令、分析指令和執(zhí)行指令， 即按指令控制計(jì)算機(jī)各部件操作，并對(duì)數(shù)據(jù)即按指令控制計(jì)算機(jī)各部件操作，并對(duì)數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理進(jìn)行處理。 指令控制：控制程序的執(zhí)行順序； 操作控制：產(chǎn)生各種操作所需的控制信號(hào)； 時(shí)間控制：對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的

2、定時(shí)； 數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算處理。 一一 CPUCPU的功能和組成的功能和組成 CPU的基本組成：的基本組成：運(yùn)算器運(yùn)算器、控制器控制器、cache 。 運(yùn)算器：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算器：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)與邏輯運(yùn)算算術(shù)與邏輯運(yùn)算。 控制器：控制器：產(chǎn)生控制信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)，協(xié)調(diào)和指揮各個(gè)部件完成，協(xié)調(diào)和指揮各個(gè)部件完成 執(zhí)行指令的操作。執(zhí)行指令的操作。 l取指令，并指出下條指令的地址；取指令，并指出下條指令的地址； l對(duì)指令譯碼或測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)；對(duì)指令譯碼或測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)； l指揮并控制指揮并控制CPUCPU、存儲(chǔ)器和、存儲(chǔ)器和I/OI/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)設(shè)

3、備之間數(shù)據(jù)流動(dòng) 的方向的方向。 Cache Cache ：存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。：存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。 CPU模型模型 模型機(jī)各部件功能：模型機(jī)各部件功能： 寄存器的功能：暫存指令和數(shù)據(jù)寄存器的功能：暫存指令和數(shù)據(jù) l數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖寄存器（寄存器（DR）：）： u存運(yùn)算結(jié)果及內(nèi)部緩沖；存運(yùn)算結(jié)果及內(nèi)部緩沖； u緩沖緩沖CPU與外部（主存與外設(shè)）數(shù)據(jù)傳送。與外部（主存與外設(shè)）數(shù)據(jù)傳送。 l指令寄存器（指令寄存器（IR）：存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的）：存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令字指令字。 u指令譯碼器：指令譯碼器：分析測(cè)試分析測(cè)試指令指令操作碼操作碼的功能。的功能。 l程序計(jì)數(shù)器（程序計(jì)數(shù)器（PC）：存儲(chǔ)下一條要）：

4、存儲(chǔ)下一條要執(zhí)行指令的地執(zhí)行指令的地 址址。 l地址寄存器（地址寄存器（AR）：存儲(chǔ)當(dāng)前訪問(wèn)）：存儲(chǔ)當(dāng)前訪問(wèn)數(shù)據(jù)的地址。數(shù)據(jù)的地址。 l通用寄存器（通用寄存器（R0R3）：存儲(chǔ)參與運(yùn)算及運(yùn)算結(jié)）：存儲(chǔ)參與運(yùn)算及運(yùn)算結(jié) 果的數(shù)據(jù)。果的數(shù)據(jù)。 l狀態(tài)字寄存器（狀態(tài)字寄存器（PSW）：存儲(chǔ)運(yùn)算）：存儲(chǔ)運(yùn)算狀態(tài)狀態(tài)。 操作控制器：根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，操作控制器：根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)， 產(chǎn)生各種產(chǎn)生各種控制信號(hào)控制信號(hào)，在各寄存器之間建立，在各寄存器之間建立 數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路。 l微程序控制器微程序控制器 l硬布線控制器硬布線控制器 時(shí)序產(chǎn)生器：產(chǎn)生時(shí)序產(chǎn)生器：產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)，定時(shí)信號(hào)，對(duì)各種操

5、作對(duì)各種操作 信號(hào)實(shí)施時(shí)間上的控制。信號(hào)實(shí)施時(shí)間上的控制。 二二 指令周期指令周期 CPU的工作就是周而復(fù)始的執(zhí)行指令過(guò)程。的工作就是周而復(fù)始的執(zhí)行指令過(guò)程。 指令的分段執(zhí)行過(guò)程指令的分段執(zhí)行過(guò)程 l取指令：根據(jù)取指令：根據(jù)PC提供的地址從主存提供的地址從主存/cache中讀中讀 取當(dāng)前指令，送到指令寄存器取當(dāng)前指令，送到指令寄存器IR中；中； l分析指令：通過(guò)譯碼電路分析分析指令：通過(guò)譯碼電路分析IR中指令操作碼字中指令操作碼字 段表示什么操作，并在時(shí)序系統(tǒng)的配合下產(chǎn)生該段表示什么操作，并在時(shí)序系統(tǒng)的配合下產(chǎn)生該 指令對(duì)應(yīng)的微操作命令序列；指令對(duì)應(yīng)的微操作命令序列； l執(zhí)行指令：執(zhí)行階段還可

6、細(xì)分執(zhí)行指令：執(zhí)行階段還可細(xì)分為： u取操作數(shù)取操作數(shù) u執(zhí)行操作執(zhí)行操作 u形成下一條指令地址形成下一條指令地址 在運(yùn)行的過(guò)程中，在運(yùn)行的過(guò)程中， CPUCPU還要對(duì)出現(xiàn)的某還要對(duì)出現(xiàn)的某 些些異常情況異常情況或或輸入輸入/ /輸輸 出請(qǐng)求出請(qǐng)求進(jìn)行處理進(jìn)行處理 。 指令的周期指令的周期：CPU從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行這條 指令的所有操作時(shí)間總和。又可細(xì)分成若干個(gè)CPU 周期。 uCPU周期周期：又稱機(jī)器周期，一般用從內(nèi)存讀取一條指 令字的最短時(shí)間來(lái)定義。又可細(xì)分成若干個(gè)時(shí)鐘周期。 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期：CPU處理操作的基本時(shí)間單位，處理操作的基本時(shí)間單位，通常 稱為節(jié)拍脈沖或T周期。一個(gè)CPU

7、周期包含若干個(gè) 時(shí)鐘周期。 基本指令周期：取指周期，執(zhí)行周期 典型指令功能： l指令助記符：MOV R0，R1 功能：寄存器數(shù)據(jù)傳送 操作：（R1）R0 l指令助記符：LAD R1，6 功能：從內(nèi)存取數(shù)到寄存器 操作： （6） R1 l指令助記符：ADD R1，R2 功能：加法操作 操作： （R1）+（R2） R2 l指令助記符：STO R2，（R3） 功能：存寄存器數(shù)據(jù)到內(nèi)存 操作： （R2） （R3） l指令助記符：JMP 101 功能：無(wú)條件轉(zhuǎn)移 操作： 101PC l指令助記符：AND R1，R3 功能：邏輯與操作 操作： （R1）（R3） R3 MOV指令指令的指令周期的指令周期 l

8、取指令周期操作步驟取指令周期操作步驟： u101 PC uPCABUS（I）； u（101） IBUS IR u PC+1 PC（102） u OP數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)譯碼器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)譯碼器 識(shí)別為識(shí)別為MOV指令。指令。 MOV指令指令的指令周期的指令周期 l執(zhí)行指令周期操作步驟執(zhí)行指令周期操作步驟： u OC R1 uOC送傳送信號(hào)送傳送信號(hào) uR1 ALU通路 DBUS uDBUS DR u DR R0 CPU周期數(shù)周期數(shù)：2個(gè)，取個(gè)，取 指和執(zhí)行指令各占一個(gè)。指和執(zhí)行指令各占一個(gè)。 10 102 10 LAD指令指令的指令執(zhí)行周期的指令執(zhí)行周期 10 PCABUS(I) IBUSIR PC+1 IR

9、（A）AR 譯碼譯碼 AR ABUS DBUSDR DR R1 100 ADD指令指令的指令執(zhí)行周期的指令執(zhí)行周期 10 譯碼譯碼 R1+R2DR DR R2 PCABUS(I) IBUSIR PC+1 120 STO指令指令指令指令的指令執(zhí)行周期的指令執(zhí)行周期 10 R3 AR 譯碼譯碼 R2DBUS PCABUS(I) IBUSIR PC+1 120 JMP指令指令指令指令的指令執(zhí)行周期的指令執(zhí)行周期 譯碼譯碼 IR（）（） PCABUS(I) IBUSIR PC+1 101 小結(jié)：用方框圖語(yǔ)言表示機(jī)器指令周期，一個(gè)方框代小結(jié)：用方框圖語(yǔ)言表示機(jī)器指令周期，一個(gè)方框代 表一個(gè)表一個(gè)CPU周

10、期。周期。 例例1 （1） ADD R2，R0 （2）SUB R1，R3 解解 (R2)+(R0)(R0) PCAR MDR PC+1 PC DRIR PCo，G ，ARi R/W=R，PC+1 DRo，G，IRi R2Y R0X Y+XR0 R2o，G，Yi R0o，G，Xi +，G，R0i 取指取指 執(zhí)行執(zhí)行 PC+1 例例1 解解 (R1)-(R3)(R3) DRIRDRo，G，IRi R3Y R1X Y-XR3 R3o，G，Yi R1o，G，Xi -，G，R3i 取指取指 執(zhí)行執(zhí)行 PC+1 PCAR MDR PC+1 PC PCo，G ，ARi R/W=R，PC+1 三三 時(shí)序產(chǎn)生器

11、和控制方式時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 指令的執(zhí)行過(guò)程就是依次產(chǎn)生一個(gè)確定的指令的執(zhí)行過(guò)程就是依次產(chǎn)生一個(gè)確定的控制控制 信號(hào)序列信號(hào)序列的過(guò)程。的過(guò)程。 u指令的執(zhí)行是分階段分步驟進(jìn)行的。指令的執(zhí)行是分階段分步驟進(jìn)行的。 u每一步的操作是由控制器產(chǎn)生一些相應(yīng)的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)。每一步的操作是由控制器產(chǎn)生一些相應(yīng)的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)。 u各步驟的操作是有先后秩序的，控制信號(hào)的長(zhǎng)短必須有各步驟的操作是有先后秩序的，控制信號(hào)的長(zhǎng)短必須有 嚴(yán)格的時(shí)間控制。嚴(yán)格的時(shí)間控制。 常用控制器時(shí)序方式：常用控制器時(shí)序方式： u硬布線控制器：采用硬布線控制器：采用主狀態(tài)周期主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖三節(jié)拍脈沖三 級(jí)體

12、制。級(jí)體制。 u微程序控制器：采用微程序控制器：采用節(jié)拍電位節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。二級(jí)體制。 時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器 時(shí)鐘源時(shí)鐘源：產(chǎn)生：產(chǎn)生方波方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)。時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 環(huán)形脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的環(huán)形脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖脈沖 序列序列。 節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序電路：產(chǎn)生節(jié)拍脈沖及存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序電路：產(chǎn)生節(jié)拍脈沖及存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí) 序信號(hào)。序信號(hào)。 啟?？刂七壿嬰娐罚汗?jié)拍脈沖信號(hào)啟?？刂七壿嬰娐罚汗?jié)拍脈沖信號(hào)使能使能電路。電路。 控制方式：控制方式： 即控制不同操作序列時(shí)序信號(hào)的方法。 l同步控制方式同步控制方式

13、：指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)(CPU 周期）和時(shí)鐘周期數(shù)（節(jié)拍脈沖）都固定不變。 u采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。 u采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。 u中央控制與局部控制結(jié)合。 l異步控制方式異步控制方式：指每個(gè)操作控制信號(hào)根據(jù)需要確定完 成時(shí)間。 u根據(jù)“應(yīng)答”方式操作。 l聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式 ：同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。 u大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周 期中，部分采用“回答” 信號(hào)方式； u機(jī)器周期的節(jié)拍脈沖數(shù)固定，但是各條指令周期的機(jī)器周期數(shù) 不固定。 四 微程序控制器 （一）（一） 微程序控制原理微程序控制原理 核心思想核心思想：將控制信號(hào)編成：將控制信號(hào)編成微指令

14、微指令，這樣，這樣 每條機(jī)器指令的所有操作可以編成一段由每條機(jī)器指令的所有操作可以編成一段由 微指令組成的微程序微指令組成的微程序；將所有機(jī)器指令的；將所有機(jī)器指令的 微程序存到一個(gè)只讀存儲(chǔ)器里微程序存到一個(gè)只讀存儲(chǔ)器里（CM）， CPU執(zhí)行一條指令時(shí)，只需將執(zhí)行一條指令時(shí)，只需將CM中相應(yīng)的中相應(yīng)的 一段微程序讀出來(lái)，就可產(chǎn)生各種微操作一段微程序讀出來(lái)，就可產(chǎn)生各種微操作 信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)該指令的功能。信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)該指令的功能。 基本術(shù)語(yǔ)基本術(shù)語(yǔ) l微命令微命令：控制部件通過(guò)控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制信：控制部件通過(guò)控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制信 號(hào)。號(hào)。 LDR1 LDR2LDR3 R1

15、X R2X DRX R3Y R2Y R1Y l微操作微操作：執(zhí)行部件接受：執(zhí)行部件接受 微命令后所進(jìn)行的操作。微命令后所進(jìn)行的操作。 u相斥性微操作：不 能同時(shí)或在同一個(gè) CPU周期中出現(xiàn)的 微操作。 u相容性微操作：能 同時(shí)或在同一個(gè) CPU周期中出現(xiàn)的 操作。 基本術(shù)語(yǔ)（續(xù)）基本術(shù)語(yǔ)（續(xù)） l微指令微指令： 在機(jī)器的一個(gè)在機(jī)器的一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)周期中，一組實(shí)現(xiàn) 一定操作功能的微命令的組合。一定操作功能的微命令的組合。 u微操作控制字段：微操作控制字段：產(chǎn)生控制信號(hào)。產(chǎn)生控制信號(hào)。 u順序控制字段：順序控制字段：產(chǎn)生下條微指令的地址。產(chǎn)生下條微指令的地址。 l微程序微程序： 實(shí)現(xiàn)一

16、條機(jī)器指令功能的許多條微指實(shí)現(xiàn)一條機(jī)器指令功能的許多條微指 令組成的序列。令組成的序列。 微指令給出的控制信號(hào)微指令給出的控制信號(hào) 都是節(jié)拍電位信號(hào)。都是節(jié)拍電位信號(hào)。 但，有些信號(hào)不能來(lái)的但，有些信號(hào)不能來(lái)的 太早也不能來(lái)的太遲，太早也不能來(lái)的太遲， 所以，這些微命令還要所以，這些微命令還要 和節(jié)拍脈沖信號(hào)相與。和節(jié)拍脈沖信號(hào)相與。 微程序控制器組成原理 l控制存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器： 用于存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序。 l微指令寄存器微指令寄存器： 用來(lái)存放當(dāng)前執(zhí)行的一條微指令。 l地址轉(zhuǎn)移邏輯地址轉(zhuǎn)移邏輯： 用于形成下條微指令的微地址。 微程序控制器舉例： l處理器部件 l指令功能：用BCD碼

17、 來(lái)完成十進(jìn)制的加法 運(yùn)算。R1+R2R2 l指令流程 l微指令格式 PCM MIR PC+1 R1+R2R2 R2+R3R2 C R2-R3R2 RD，LDIR， PC+1 R1X，R2 Y，+， LDR2 R2X，R3 Y，+， LDR2 R2X，R3 Y， ，LDR2 微程序設(shè)計(jì)流程 000 000 000 000 10101100000 PCM MIR PC+1 R1+R2R2 P1 R2+R3R2 P2 R2-R3R2 0000 010 100 100 100 000000010011010 1001 0001 010 001 001 100 00000010000 010 001

18、001 001 00000000000 微程序控制器組成原理 CPU周期與微指令周期關(guān)系 l微指令周期 = 讀出微指令的時(shí)間 + 執(zhí)行該條微指 令的時(shí)間 機(jī)器指令與微指令的關(guān)系 l一條機(jī)器指令的功能是由若干條微指令組成的序 列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 l機(jī)器指令存儲(chǔ)在內(nèi)存中，CPU外部；微指令存儲(chǔ) 在CM中，屬于CPU內(nèi)部。 l每一個(gè)CPU周期對(duì)應(yīng)一條微指令 微命令編碼方式 l直接表示法將控制字段的每個(gè)二進(jìn)制位定義為一個(gè)微 命令。 u優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀，執(zhí)行速度快，操作并行性好。 u缺點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，位空間利用率低。 l編碼（分段譯碼）表示法把一組相斥性的微命令信號(hào) 組合在一個(gè)字段，然后通過(guò)譯碼器對(duì)每個(gè)微

19、命令信號(hào)進(jìn) 行譯碼，譯碼的輸出作為控制信號(hào)。 u優(yōu)點(diǎn)：可用較少的二進(jìn)制位表示較多的微命令信號(hào)， 縮短CM的字長(zhǎng)。 u缺點(diǎn)：增加了譯碼電路，速度相對(duì)要慢一些。 l混合表示法 l為提高靈活性，常在微指令中增設(shè)一個(gè)常數(shù)字段。 （二）（二） 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微程序設(shè)計(jì)技術(shù) 微地址的形成方法 l多路轉(zhuǎn)移方式（斷定）：將順序控制字段分成測(cè)試字 段（P）和下地址字段二段。未出現(xiàn)多路分支時(shí)， 后 繼由下地址字段直接給出，出現(xiàn)多路分支時(shí)，根據(jù)測(cè) 試字段值和狀態(tài)條件選擇轉(zhuǎn)移地址。 u優(yōu)點(diǎn)：多路轉(zhuǎn)移靈活，速度快； u缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)移地址硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜。 l計(jì)數(shù)器方式（增量方式）：順序執(zhí)行時(shí)，后繼地址在 現(xiàn)行微地址上加上一增量

20、；非順序執(zhí)行時(shí)，需執(zhí)行一 條轉(zhuǎn)移微指令。 u優(yōu)點(diǎn)：順序控制字段較短，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 u缺點(diǎn)：多路并行轉(zhuǎn)移弱，速度較慢，靈活性差。 例例2 微地址寄存器有6位(A5-A0)，當(dāng)需要修改其內(nèi)容時(shí)， 可通過(guò)某一位觸發(fā)器的強(qiáng)置端S將其置“1”?，F(xiàn)有三種情況： (1)執(zhí)行“取指”微指令后，微程序按IR的OP字段(IR3-IR0)進(jìn) 行16路分支； (2)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程序時(shí)，按進(jìn)位標(biāo)志C的狀態(tài)進(jìn)行2路 分支； (3)執(zhí)行控制臺(tái)指令微程序時(shí)，按IR4，IR5的狀態(tài)進(jìn)行4路分支。 請(qǐng)按多路轉(zhuǎn)移方法設(shè)計(jì)微地址轉(zhuǎn)移邏輯。 【解】【解】 按題意，微程序有三種判別測(cè)試，分別為按題意，微程序有三種判別測(cè)試，分別為P1

21、，P2，P3。 由于修改由于修改A5-A0內(nèi)容具有很大靈活性，現(xiàn)分配如下：內(nèi)容具有很大靈活性，現(xiàn)分配如下： (1)用用P1和和IR3-IR0修改修改A3-A0； (2)用用P2和和C修改修改A0； (3)用用P3和和IR5，IR4修改修改A5，A4。 微指令的格式 l水平型微指令在一個(gè)微指令周期內(nèi)，同時(shí)給出多個(gè)能 并行操作的微命令。 u全水平型 u字段譯碼型 u混合型 l垂直型微指令在微指令中設(shè)置微操作碼字段和地址碼 字段，采用微操作碼編譯法，并由微操作碼規(guī)定微指令 的功能。 l二者比較：水平型并行操作能力強(qiáng)、效率高、靈活性強(qiáng)， 微指令執(zhí)行時(shí)間短，但微指令字長(zhǎng)長(zhǎng)、復(fù)雜程度高、對(duì) 硬件了解程度高

22、。而垂直型相反。 動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì) l靜態(tài)微程序設(shè)計(jì)：微程序設(shè)計(jì)好后，不再（能）修改； l動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)：微程序可根據(jù)需要再修改。 基本思想：用門(mén)電路和觸用門(mén)電路和觸 發(fā)器構(gòu)成的邏輯電路來(lái)產(chǎn)發(fā)器構(gòu)成的邏輯電路來(lái)產(chǎn) 生控制信號(hào)。生控制信號(hào)。 設(shè)計(jì)方法：綜合所有機(jī)器設(shè)計(jì)方法：綜合所有機(jī)器 指令流程的微操作時(shí)間表，指令流程的微操作時(shí)間表， 列出各微命令與輸入的關(guān)列出各微命令與輸入的關(guān) 系，設(shè)計(jì)出邏輯式，用門(mén)系，設(shè)計(jì)出邏輯式，用門(mén) 電路或可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路或可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 l優(yōu)點(diǎn)：速度快優(yōu)點(diǎn)：速度快 l缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜、不缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜、不 易修改。易修改。 五五 硬連線控制器硬連線控制器 采用同

23、步控制方式：長(zhǎng)指令和短指令的節(jié)拍時(shí)間一樣。采用同步控制方式：長(zhǎng)指令和短指令的節(jié)拍時(shí)間一樣。 設(shè)計(jì)方法：根據(jù)所有機(jī)器指令流程圖，尋找產(chǎn)生同一個(gè)微操作信號(hào)設(shè)計(jì)方法：根據(jù)所有機(jī)器指令流程圖，尋找產(chǎn)生同一個(gè)微操作信號(hào) 的所有條件，并與適當(dāng)?shù)墓?jié)拍電位和節(jié)拍脈沖組合，然后用布爾代的所有條件，并與適當(dāng)?shù)墓?jié)拍電位和節(jié)拍脈沖組合，然后用布爾代 數(shù)表達(dá)式描述，最后用門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)表達(dá)式描述，最后用門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 M1，M2，M3為節(jié)拍電為節(jié)拍電 位信號(hào)，位信號(hào)，T1，T2，T3， T4為一個(gè)為一個(gè)CPU周期的節(jié)周期的節(jié) 拍脈沖信號(hào)，拍脈沖信號(hào)，MOV， LAD，ADD，STO， JMP分別表示對(duì)應(yīng)機(jī)器指分別表示

24、對(duì)應(yīng)機(jī)器指 令的令的OP操作碼譯碼輸出操作碼譯碼輸出 信號(hào)。請(qǐng)寫(xiě)出，信號(hào)。請(qǐng)寫(xiě)出，LDIR、 LDDR的邏輯表達(dá)式。的邏輯表達(dá)式。 六、提高性能的技術(shù)六、提高性能的技術(shù) 5.7.1 流水流水CPU技術(shù)技術(shù) 并行處理技術(shù)并行處理技術(shù) l同時(shí)性同時(shí)性 指兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生； l并發(fā)性并發(fā)性 指兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。 計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)形式：計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)形式： l時(shí)間并行時(shí)間并行：指時(shí)間重疊。 l空間并行空間并行：指資源重復(fù)。 l時(shí)間并行時(shí)間并行+空間并行空間并行：指時(shí)間重疊和資源重復(fù)的 綜合應(yīng)用 。例如，奔騰CPU采用了超標(biāo)量流水 技術(shù)。 流水線技術(shù)設(shè)計(jì)方法：流水線技術(shù)設(shè)

25、計(jì)方法： l將一個(gè)大的功能部件分成幾個(gè)獨(dú)立的功能部件，將一個(gè)大的功能部件分成幾個(gè)獨(dú)立的功能部件， 并行工作以提高執(zhí)行速度的技術(shù)。并行工作以提高執(zhí)行速度的技術(shù)。 l流水線中功能部件必須滿足的條件：流水線中功能部件必須滿足的條件： u流水線中的任務(wù)必須是連續(xù)的，流水線應(yīng)流水線中的任務(wù)必須是連續(xù)的，流水線應(yīng) 是完全充滿的。是完全充滿的。 u分解的任務(wù)是有聯(lián)系的。分解的任務(wù)是有聯(lián)系的。 u段與段之間傳送字任務(wù)時(shí)，必須通過(guò)高速段與段之間傳送字任務(wù)時(shí)，必須通過(guò)高速 緩沖寄存器。緩沖寄存器。 u流水線中各段的執(zhí)行時(shí)間應(yīng)盡可能相等。流水線中各段的執(zhí)行時(shí)間應(yīng)盡可能相等。 5.7.2 流水流水cpu 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

26、 （一）流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成（一）流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成 u指令部件指令部件 u指令隊(duì)列指令隊(duì)列 u執(zhí)行部件執(zhí)行部件 （二）流水（二）流水CPU的時(shí)空?qǐng)D。的時(shí)空?qǐng)D。 u設(shè)指令周期包含四個(gè)子過(guò)程：設(shè)指令周期包含四個(gè)子過(guò)程： 非流水線時(shí)空?qǐng)D非流水線時(shí)空?qǐng)D 標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D 超標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D超標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D 單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi) 流水線所完成指令流水線所完成指令 或或 輸出結(jié)果輸出結(jié)果 的的 數(shù)量數(shù)量 最大吞吐率（滿載后）最大吞吐率（滿載后） 實(shí)際吞吐率實(shí)際吞吐率 連續(xù)處理連續(xù)處理 n 條指令的吞吐率為條指令的吞吐率為 設(shè)設(shè) m 段的流水線各段時(shí)間為段的流水線各段時(shí)間為t t Tp

27、max = 1 t t Tp = m + (n-1) n t tt t （三）流水線性能（三）流水線性能 個(gè)任務(wù)的時(shí)間完成 完成的任務(wù)數(shù) n n TP m 段的段的 流水線的速度流水線的速度 與等功能的與等功能的 非流水線的速度非流水線的速度 之比之比 設(shè)流水線各段時(shí)間為設(shè)流水線各段時(shí)間為 t 完成完成 n 條指令在條指令在 m 段流水線上共需段流水線上共需 T = m + (n-1) t t 完成完成 n 條指令在等效的非流水線上共需條指令在等效的非流水線上共需 T = nmt Sp = m +(n-1) nm = nm m + n -1 t t t 則則 由于流水線有由于流水線有 建立時(shí)間

28、建立時(shí)間 和和 排空時(shí)間排空時(shí)間 因此各功能段的因此各功能段的 設(shè)備不可能設(shè)備不可能 一直一直 處于處于 工作工作 狀態(tài)狀態(tài) 流水線中各功能段的流水線中各功能段的 利用率利用率 mt 31245 31245 31245 31245 n-1 n n-1 n n-1 n n-1 n T時(shí)間 時(shí)間 S空間 空間 空間空間 S4 S3 S2 S1 (n-1) t m(m + n -1) t = mnt 流水線各段處于工作時(shí)間的時(shí)空區(qū)流水線各段處于工作時(shí)間的時(shí)空區(qū) 流水線中各段總的時(shí)空區(qū)流水線中各段總的時(shí)空區(qū) 效率效率 = mt 31245 31245 31245 31245 n-1 n n-1 n n

29、-1 n n-1 n T時(shí)間 時(shí)間 S空間 空間 空間空間 S4 S3 S2 S1 (n-1) t 流水線中各功能段的流水線中各功能段的 利用率利用率 （四）流水線分類（四）流水線分類 l指令流水線指令流水線：指指令步驟的并行。：指指令步驟的并行。 l算術(shù)流水線算術(shù)流水線：指令運(yùn)算操作步驟的并行。：指令運(yùn)算操作步驟的并行。 l處理機(jī)流水線處理機(jī)流水線：指程序步驟的并行。：指程序步驟的并行。 （五）流水線中的主要問(wèn)題（五）流水線中的主要問(wèn)題 l資源相關(guān)資源相關(guān) l數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān) l控制相關(guān)控制相關(guān) （1）資源相關(guān)）資源相關(guān)：指多條指令進(jìn)入流水線后在同一機(jī)器時(shí)鐘周期：指多條指令進(jìn)入流水線后在同一

30、機(jī)器時(shí)鐘周期 內(nèi)爭(zhēng)用同一個(gè)功能部件所發(fā)生的沖突。設(shè)指令流水線分為：取內(nèi)爭(zhēng)用同一個(gè)功能部件所發(fā)生的沖突。設(shè)指令流水線分為：取 指、譯碼、計(jì)算有效地址或執(zhí)行、訪存取數(shù)、寫(xiě)寄存器五段。指、譯碼、計(jì)算有效地址或執(zhí)行、訪存取數(shù)、寫(xiě)寄存器五段。 解決辦法：解決辦法：1.停頓流水線停頓流水線 2.重復(fù)設(shè)置存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)和指令分開(kāi)存放重復(fù)設(shè)置存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)和指令分開(kāi)存放 3.采用指令預(yù)取技術(shù)采用指令預(yù)取技術(shù) 大部分計(jì)大部分計(jì) 算機(jī)數(shù)據(jù)算機(jī)數(shù)據(jù) 和指令放和指令放 在一個(gè)存在一個(gè)存 儲(chǔ)單元中，儲(chǔ)單元中， 且只有一且只有一 個(gè)端口個(gè)端口 （2 2）數(shù)據(jù)相關(guān)）數(shù)據(jù)相關(guān)：若在一個(gè)程序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行：若在一個(gè)程

31、序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行 完畢后，才能執(zhí)行后一條指令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相完畢后，才能執(zhí)行后一條指令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相 關(guān)的關(guān)的 l例執(zhí)行：例執(zhí)行： ADD R1ADD R1，R2R2，R3R3 SUB R4 SUB R4，R1R1，R5R5 AND R6 AND R6，R1R1，R7R7 l解決辦法：解決辦法：1.1.停頓流水線停頓流水線 2.2.采用定向技術(shù)（旁路技術(shù)或相關(guān)通路技術(shù)）：采用定向技術(shù)（旁路技術(shù)或相關(guān)通路技術(shù)）： 增設(shè)運(yùn)算結(jié)果緩沖寄存器增設(shè)運(yùn)算結(jié)果緩沖寄存器 （3）控制相關(guān)）控制相關(guān)：當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，使流水：當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，使流水 線線 發(fā)生斷流的問(wèn)題。發(fā)生斷流的問(wèn)題。 l解決辦法：解決辦法：1. 延遲轉(zhuǎn)移法延遲轉(zhuǎn)移法 2. 轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法 3. 加快和提高形成條件碼加快和提高形成條件碼 4. 加快短循環(huán)程序的處理加快短循環(huán)程序的處理 5. 采用優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)采用優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) 三種數(shù)據(jù)相關(guān) 寫(xiě)后讀相關(guān)（RAW）：指令j試圖在指令i寫(xiě)入寄存器前就 讀出該寄存器的內(nèi)容，這樣，指令j就會(huì)錯(cuò)誤地讀出該寄存 器中的舊內(nèi)容。 MUL R1,R2 ; ADD R3,R1 ; 讀后寫(xiě)相關(guān)（WAR）：指令j試圖在指令i讀出寄存器之前 就寫(xiě)入該寄存器