第六章 CPU與控制器

1、3種組織方法 (1) 常規(guī)組合邏輯法(或稱隨機邏輯法)；分立元件時代的產(chǎn)物；方法是按邏輯代數(shù)的運算規(guī)則，以組合電路最小化為原則，用邏輯門電路實現(xiàn)；不規(guī)整，可靠性低，造價高。 (2) 可編程邏輯陣列(PLA)法；與前者本質(zhì)相同，工藝不同；用大規(guī)模集成電路(LSI)來實現(xiàn)。(3)微程序控制邏輯法。將程序設(shè)計的思想方法引入控制器的控制邏輯；將各種操作控制信號以編碼信息字的形式存入控制存儲器中（CM）；一條機器指令對應(yīng)一道微程序，機器指令執(zhí)行的過程就是微程序執(zhí)行的過程?？刂破鞯慕M成一、指令部件指令部件應(yīng)包括程序計數(shù)器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器（ID）、程序狀態(tài)寄存器（PSW）和地址形成部

2、件等5個部分。去內(nèi)存取指令或取數(shù)據(jù)對各功能部件產(chǎn)生控制PSW地址形成部件時序部件OC譯碼器PC微操作信號產(chǎn)生器.ACOC微程序控制技術(shù)在現(xiàn)今計算機設(shè)計中得到廣泛的采用，其實質(zhì)是用程序設(shè)計的思想方法來組織操作控制邏輯。1、微程序控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用的原因l物質(zhì)基礎(chǔ)：ROMl靈活性l提高了可靠性，可利用性及可維護性(簡稱RAS技術(shù))，大大優(yōu)化了硬件控制技術(shù)。l有利于機器設(shè)計時的仿真。也就是說，在M1機器上使用M2機器語言編寫程序并運行，從用戶角度來看，M1和M2無區(qū)別，要能做到這一點，只有機器具有控存CM的微程序設(shè)計結(jié)構(gòu)才行。l其他（反映在以下幾方面的優(yōu)點）6.3.2 微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作過

3、程微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程6.3.2 微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程微程序控制器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程二、工作過程微程序控制器的工作過程實質(zhì)上就是在微程序控制器的控制之下，計算機執(zhí)行機器指令的過程：1、從控制存儲器中運行取指令微程序，完成從主存儲器中取得機器指令的工作；2、根據(jù)機器指令的操作碼，得到相應(yīng)機器指令的微程序入口；3、逐條取出微指令，完成相關(guān)微操作控制；4、執(zhí)行下一條機器指令。6.4.1 微指令編譯法微指令編譯法6.4.1 微指令編譯微指令編譯法法6.5.1 時序與節(jié)拍第第1批批洗滌洗滌第第1批批清洗清洗第第1批批甩干甩干第第2批批洗滌洗滌第第2批批清洗清洗第第2批批甩干甩干

4、第第3批批洗滌洗滌第第3批批清洗清洗第第3批批甩干甩干3批衣服的整個工作時間為批衣服的整個工作時間為3*3*5=45分鐘分鐘第二種：重疊工作方式，設(shè)計三個部件，可以同時工作，每個部件只做一樣工作，操作方式如下圖：第第1批洗滌批洗滌第第1批清洗批清洗第第1批甩干批甩干第第2批洗滌批洗滌 第第2批清洗批清洗第第2批甩干批甩干第第3批洗滌批洗滌第第3批清洗批清洗第第3批甩干批甩干Tdtdtdtdtdt3批衣服的工作時間為6*5=30分鐘，節(jié)省15分鐘。引出下述關(guān)于洗衣機工作的有關(guān)性能特點：吞吐率：單位時間內(nèi)完成的任務(wù)數(shù)TP=n/T加速比：串行方式與流水線方式的時間比：上述為 45/30=1.5效率：

5、即洗衣機的利用率，上述洗衣機的效率是9/15=3/5將一條指令的執(zhí)行分為幾個階段，讓幾條指令按流水將一條指令的執(zhí)行分為幾個階段，讓幾條指令按流水線工作。這就引出了計算機中的流水線技術(shù)。線工作。這就引出了計算機中的流水線技術(shù)。niiiitttT1(）執(zhí)行分析取指令取指令k 分析k 執(zhí)行k 取指令k+1 分析k+1執(zhí)行k+1取指 分析 執(zhí)行取指 分析 執(zhí)行取指 分析 執(zhí)行取指k+2 分析k+2 執(zhí)行k+2取指k+1 分析k+1 執(zhí)行k+1取指k分析k執(zhí)行k取指令譯碼執(zhí)行保存結(jié)果t1t2t3t4取指形成操作數(shù)地址譯碼取操作數(shù)執(zhí)行保存結(jié)果分析k分析k+1 分析k+2 分析k+3執(zhí)行k執(zhí)行k+1 執(zhí)行k

6、+2 執(zhí)行k+3時間空間0t1t2t3t4t5ED1時間空間0t1t2t3t4t5ED2 ED3 ED4 ED5EA1 EA2 EA3 EA4 EA5MA1 MA2 MA3 MA4 MA5NL1 NL2 NL3 NL4 NL5t6t7t8NL：規(guī)格化MA：尾數(shù)加EA：對階ED：求階差1時間空間S123 n-1 nS2S3S4123 n-1 n123 n-1 n123 n-1 nkt(n-1) tnt(k-1)tTtnknTP) 1(nTPLimnknttmax() 11),max() 1(211kkiitttntnTP ),max(121maxktttTP S1輸入t1=tS2t2=3tS3t

7、3=tS4t4=t輸出1時間空間S1S2S3S4Sti(n-1)t2Tk23 n123n123 n123 nS1輸入輸出tS2-1tS2-2tS2-3tS3tS4tS2(3t)S1輸入輸出t1=tS2-1S2-1S2-1S3S4t3=tt4=tt2=3t流水段重復設(shè)置的流水線1時間空間2 3nS1S2-14 5 614-2 -1n-225n-136n1 2 3n4 5 6-2 -11 2 3n4 5 6-2 -1S2-2S2-3S3S41) 1(nknktnktnkSSLimk nknknmax1K=6K=10任務(wù)個數(shù)加速比10246811 248 16 32 64 128Snttntttii

8、kiikk11121() max(, ,）kTkTknE0個流水段的總的時空區(qū)個任務(wù)占用的時空區(qū)1) 1(nkntnkktnkE11maxnknLimEn),max() 12111kkiikiitttntktnE （空區(qū)個流水段的總的加權(quán)時區(qū)個任務(wù)占用的加權(quán)時空knE ), ,max()121111nkiiikiIikiiitttntaatanE（kakii1tnknTP) 1(1nknkS1nknE1時間空間2 3求階差45671 2 3 45671 2 3 45671 2 3 4567對階尾數(shù)加規(guī)格化加數(shù) A C E GA+BE+FB D F HC+DG+HA+B+C+DE+F+G+H結(jié)果

9、A+BC+DE+FG+HA+B+C+DE+F+G+HZ ZttTnTPk147015787115740ttTTSk470154740ttTkTEk流水線最佳段數(shù)的選擇 流水線的最佳段數(shù)與流水線的延遲時間t與流水線本身的價格a的乘積平方根成正比，而與瑣存器的延遲時間d及價格b的乘積的平方根成反比。即dbtak0在設(shè)計一條流水線時，可以根據(jù)該公式，在流水線的延遲時間t一定的情況下，通過調(diào)整流水線本身的價格a、瑣存器的延遲時間d和瑣存器的價格b來選擇最佳流水線段數(shù)k0.6.7.1基本結(jié)構(gòu)一般流水線處理機：一條指令流水線，一個多功能操作部件，每個時鐘周期平均執(zhí)行指令的條數(shù)小于1。多操作部件處理機：一條

10、指令流水線，多個獨立的操作部件，操作部件可以采用流水線，也可以不流水。多操作部件處理機的指令級并行度小于1。超標量處理機典型結(jié)構(gòu)：多條指令流水線、多個功能部件。先進的超標量處理機有：定點處理部件CPU，浮點處理部件FPU,圖形加速部件GPU大量的通用寄存器，兩個一級高速Cache超標量處理機的指令級并行度大于1整數(shù)部件整數(shù)部件位操作浮點加乘法部件除法部件圖形部件圖形部件內(nèi)部總線讀數(shù)存數(shù)部件通用寄存器堆擴展寄存器堆目標指令指令分配轉(zhuǎn)移部件數(shù)據(jù)Cache (8KB)指令Cache (8KB)系統(tǒng)總線32位地址總線32位數(shù)據(jù)總線超標量處理機MC88110的結(jié)構(gòu)6.7.2單發(fā)射與多發(fā)射IF時鐘周期指令

11、I1I2I3IDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWR123456單發(fā)射處理機的指令流水線時空圖IF：取指令 ID：指令譯碼 EX：執(zhí)行指令 WR：寫回結(jié)果IFIDFA1 FA2 FA3MD1 MD2 MD3ALLS浮點加法部件乘除法部件定點ALU部件取數(shù)存數(shù)部件WR來自指令Cache通用寄存器后行寫數(shù)棧由4個操作部件組成的單發(fā)射處理機每個周期同時取多條指令、同時譯碼多條指令，同時執(zhí)行多條指令，同時寫回多個運算結(jié)果需要多個取指令部件，多個指令譯碼部件和多個寫結(jié)果部件設(shè)置多個指令執(zhí)行部件，復雜的指令執(zhí)行部件一般采用流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計目標是每個時鐘周期平均執(zhí)行多條指令，ILP的期望值大于1多發(fā)射處理機的指令流水線時空圖IF時鐘周期指令I(lǐng)1I2I3IDEXWR123456I4I5I6IFIDEXWRI7I8I9IFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDFA1 FA2 FA3MD1 MD2 MD3ALLS浮點加法部件乘除法部件定點ALU部件取數(shù)存數(shù)部件WRIFIDWR超標量處理機：一個時鐘周期內(nèi)能夠同時發(fā)射多條指令的處理機稱為超標量處理機必須有兩條