計算機組成原理第八章CPU的結構和功能

1、8.1 CPU 的結構的結構8.3 指令流水指令流水8.2 指令周期指令周期8.4 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)一、一、 CPU 的功能的功能取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結果的輸出控制程序輸入及結果的輸出總線管理總線管理處理異常情況和特殊請求處理異常情況和特殊請求1. 控制器的功能控制器的功能2. 運算器的功能運算器的功能實現(xiàn)算術運算和邏輯運算實現(xiàn)算術運算和邏輯運算指令控制指令控制操作控制操作控制時間控制時間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷二、二、CPU 結構框圖結構框圖PC IR指令控制指令控制操作控制操作控制時間控制時間控制數(shù)據(jù)加工

2、數(shù)據(jù)加工處理中斷處理中斷ALU 寄存器寄存器中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)1. CPU 與系統(tǒng)總線與系統(tǒng)總線CU 時序電路時序電路寄存器寄存器ALU 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)CUCPU控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線2. CPU 的內部結構的內部結構 算術和算術和布爾邏輯布爾邏輯取反取反移位移位狀態(tài)標志狀態(tài)標志內部內部 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線CPU寄存器寄存器CU中斷中斷系統(tǒng)系統(tǒng)ALU控制信號控制信號1. 用戶可見寄存器用戶可見寄存器(1) 通用寄存器通用寄存器三、三、 CPU 的寄存器的寄存器存放操作數(shù)存放操作數(shù)可作可作 某種尋址方式所需的某種尋址方式所需的 專用寄存器專用寄存器(2) 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)

3、寄存器存放操作數(shù)存放操作數(shù)（滿足各種數(shù)據(jù)類型）（滿足各種數(shù)據(jù)類型）兩個寄存器拼接存放雙倍字長數(shù)據(jù)兩個寄存器拼接存放雙倍字長數(shù)據(jù)(3) 地址寄存器地址寄存器存放地址存放地址，其位數(shù)應滿足最大的地址范圍，其位數(shù)應滿足最大的地址范圍用于特殊的尋址方式用于特殊的尋址方式 段基值段基值 棧指針棧指針(4) 條件碼寄存器條件碼寄存器存放條件碼存放條件碼，可作程序分支的依據(jù)，可作程序分支的依據(jù)如如 正、負、零、溢出、進位等正、負、零、溢出、進位等2. 控制和狀態(tài)寄存器控制和狀態(tài)寄存器(1) 控制寄存器控制寄存器PC控制控制 CPU 操作操作(2) 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器其中其中 MAR M

4、DR IR 用戶不可見用戶不可見 存放條件碼存放條件碼PSW 寄存器寄存器存放程序狀態(tài)字存放程序狀態(tài)字 PC 用戶可見用戶可見 3. 舉例舉例Z8000 8086 MC 68000MARMMDRIR四、四、 控制單元控制單元 CU 和中斷系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)1. CU 產生全部指令的微操作命令序列產生全部指令的微操作命令序列組合邏輯設計組合邏輯設計微程序設計微程序設計硬連線邏輯硬連線邏輯存儲邏輯存儲邏輯2. 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)參見參見 第四篇第四篇 五、五、ALU參見參見 8.4參見參見 第六章第六章一、一、 指令周期的基本概念指令周期的基本概念1 . 指令周期指令周期取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間

5、取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間完成一條指令完成一條指令執(zhí)行執(zhí)行取指、分析取指、分析取指階段取指階段取指周期取指周期執(zhí)行階段執(zhí)行階段執(zhí)行周期執(zhí)行周期（取指、分析）（取指、分析）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期2. 每條指令的指令周期不同每條指令的指令周期不同取指周期取指周期指令周期指令周期取指周期取指周期 執(zhí)行階段執(zhí)行階段指令周期指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期NOPADD mem MUL mem3. 具有間接尋址的指令周期具有間接尋址的指令周期4. 帶有中斷周期的指令周期帶有中斷周期的指令周期取指周期取指周期間址周期間址周期指令

6、周期指令周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期間址周期間址周期指令周期指令周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期5. 指令周期流程指令周期流程取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期有間址嗎？有間址嗎？有中斷嗎？有中斷嗎？間址周期間址周期中斷周期中斷周期是是是是否否否否6. CPU 工作周期的標志工作周期的標志CPU 訪存有訪存有 4 種性質種性質取取 指令指令取取 地址地址取取 操作數(shù)操作數(shù)存存 程序斷點程序斷點取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期FEDINDDINTDCLK1FE1IND1EX1INTEXDCPU 的的4個工作周期個工作周期1. 取指周期數(shù)據(jù)流取指周期數(shù)據(jù)流

7、二、二、 指令周期的數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲器存儲器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR+1 2. 間址周期數(shù)據(jù)流間址周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PCIR存儲器存儲器MDR3. 執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流4 . 中斷周期數(shù)據(jù)流中斷周期數(shù)據(jù)流不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PC存儲器存儲器一、如何提高機器速度一、如何提高機器速度1. 提高訪存速度提高訪存速度2. 提高提高 I/O 和主機之間的傳送速度和

8、主機之間的傳送速度 提高整機處理能力提高整機處理能力高速芯片高速芯片Cache多體并行多體并行多總線多總線DMAI/O 處理機處理機通道通道高速器件高速器件改進系統(tǒng)結構改進系統(tǒng)結構 ，開發(fā)系統(tǒng)的并行性，開發(fā)系統(tǒng)的并行性中斷中斷3. 提高運算器速度提高運算器速度高速芯片高速芯片改進算法改進算法快速進位鏈快速進位鏈二、系統(tǒng)的并行性二、系統(tǒng)的并行性時間上互相重疊時間上互相重疊2. 并行性的等級并行性的等級指令級（指令之間）指令級（指令之間）過程級（程序、進程）過程級（程序、進程）兩個或兩個以上事件在兩個或兩個以上事件在 同一時刻同一時刻 發(fā)生發(fā)生兩個或兩個以上事件在兩個或兩個以上事件在 同一時間段同

9、一時間段 發(fā)生發(fā)生并行并行1. 并行的概念并行的概念粗粒度粗粒度軟件實現(xiàn)軟件實現(xiàn)細粒度細粒度硬件實現(xiàn)硬件實現(xiàn)并發(fā)并發(fā)同時同時取指令取指令 3執(zhí)行指令執(zhí)行指令 3三、指令流水原理三、指令流水原理2. 指令的二級流水指令的二級流水1. 指令的串行執(zhí)行指令的串行執(zhí)行取指令取指令 取指令部件取指令部件 完成完成總有一個部件總有一個部件 空閑空閑指令預取指令預取若若 取指取指 和和 執(zhí)行執(zhí)行 階段時間上階段時間上 完全重疊完全重疊指令周期指令周期 減半減半 速度提高速度提高 1 倍倍執(zhí)行指令執(zhí)行指令 執(zhí)行指令部件執(zhí)行指令部件 完成完成取指令取指令 1執(zhí)行執(zhí)行指令指令 1取取指令指令 2執(zhí)行執(zhí)行指令指令

10、2取取指令指令 3執(zhí)行指令執(zhí)行指令 3取指令取指令 2執(zhí)行指令執(zhí)行指令 2取指令取指令 1執(zhí)行指令執(zhí)行指令 1 必須等必須等 上條上條 指令執(zhí)行結束，才能確定指令執(zhí)行結束，才能確定 下條下條 指令的地址指令的地址 造成時間損失造成時間損失3. 影響指令流水效率加倍的因素影響指令流水效率加倍的因素(1) 執(zhí)行時間執(zhí)行時間 取指時間取指時間 (2) 條件轉移指令條件轉移指令 對指令流水的影響對指令流水的影響 解決辦法解決辦法 ？取指令取指令部件部件指令部件指令部件緩沖區(qū)緩沖區(qū)執(zhí)行指令執(zhí)行指令部件部件猜測法猜測法4. 指令的六級流水指令的六級流水六級流水六級流水14 個時間單位個時間單位串行執(zhí)行串行

11、執(zhí)行6 9 54 時間單位時間單位完成完成 一條指令一條指令6 個時間單位個時間單位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令 8指令指令 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t指令指令 1 與指令與指令 4 沖突沖突指令指令 2 與指令與指令 5 沖突沖突指令指令1、指令、指令3、指令、指令 6 沖

12、突沖突COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令 8指令指令 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t三、影響指令流水性能的因素三、影響指令流水性能的因素1. 訪存沖突訪存沖突解決辦法解決辦法 指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開 指令預取技術指令預取技術 （適用于訪存周期短的情況）（適

13、用于訪存周期短的情況）2. 相關問題相關問題程序的相近指令之間出現(xiàn)某種關聯(lián)程序的相近指令之間出現(xiàn)某種關聯(lián)使指令流水出現(xiàn)停頓使指令流水出現(xiàn)停頓 影響流水線效率影響流水線效率(1) 控制相關控制相關WOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令15指令指令16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14轉移損失轉移損失t設設 指令指令3 是轉移指令是轉移指令BNE 指令必須

14、等指令必須等CPX 指令的結果指令的結果才能判斷出才能判斷出是轉移是轉移還是順序執(zhí)行還是順序執(zhí)行LDA # 0LDX # 0INXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSADD X, DM(2) 數(shù)據(jù)相關數(shù)據(jù)相關幾條相近的指令間，共用幾條相近的指令間，共用 同一存儲單元同一存儲單元 或或 同一寄存器同一寄存器 時，時，會出現(xiàn)會出現(xiàn) 數(shù)據(jù)相關數(shù)據(jù)相關ADD R1，R2如：如：SUB R1，R3采用采用 旁路技術旁路技術解決辦法解決辦法寄存器組寄存器組鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器ALU四、流水線的多發(fā)技術四、流水線的多發(fā)技術 1. 超標量技術超標量技術 每個時鐘周期內可每個時鐘周期內可 并

15、發(fā)多條獨立指令并發(fā)多條獨立指令 不能調整不能調整 指令的指令的 執(zhí)行順序執(zhí)行順序配置多個功能部件配置多個功能部件 通過編譯優(yōu)化技術，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來通過編譯優(yōu)化技術，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來IF ID EX WR0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13t2. 超流水技術超流水技術 在在 一個時鐘周期一個時鐘周期 內內 再分段再分段 （ 3 段）段） 不能調整不能調整 指令的指令的 執(zhí)行順序執(zhí)行順序在一個時鐘周期內在一個時鐘周期內 一個功能部件使用多次一個功能部件使用多次（ 3 次）次）靠編譯程序解決優(yōu)化問題靠編譯程序解決優(yōu)化問題流水線速度是原來速度的流水線速度

16、是原來速度的 3 倍倍IF ID EX WR0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13t3. 超長指令字超長指令字 采用采用 多個處理部件多個處理部件具有具有 多個操作碼字段多個操作碼字段 的的 超長指令字超長指令字（可達幾百位）（可達幾百位） 由編譯程序由編譯程序 挖掘挖掘 出指令間出指令間 潛在潛在 的的 并行性并行性，將將 多條多條 能能 并行操作并行操作 的指令組合成的指令組合成 一條一條IF ID EX WR0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13t五、流水線結構五、流水線結構1. 指令流水線結構指令流水線結構完成一條指令分完成一條指令分 7

17、 段段， 每段需一個時鐘周期每段需一個時鐘周期若若 流水線不出現(xiàn)斷流流水線不出現(xiàn)斷流1 個時鐘周期出個時鐘周期出 1 結果結果不采用流水技術不采用流水技術7 個時鐘周期出個時鐘周期出 1 結果結果理想情況下，理想情況下，7 級流水級流水 的速度是不采用流水技術的的速度是不采用流水技術的 7 倍倍地址形成部件地址形成部件指令譯碼部件指令譯碼部件取操作數(shù)部件取操作數(shù)部件取指令部件取指令部件操作執(zhí)行部件操作執(zhí)行部件回寫結果部件回寫結果部件修改指令指針部件修改指令指針部件鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存2. 運算流水線運算流水線完成完成 浮點加減浮點加減 運算運算 可分可分對階對階、尾

18、數(shù)求和尾數(shù)求和、規(guī)格化規(guī)格化 三段三段分段原則分段原則 每段每段 操作時間操作時間 盡量盡量 一致一致鎖存器鎖存器對階功能部件對階功能部件第一段第一段尾數(shù)加部件尾數(shù)加部件鎖存器鎖存器第二段第二段規(guī)格化部件規(guī)格化部件鎖存器鎖存器第三段第三段一、概述一、概述1. 引起中斷的各種因素引起中斷的各種因素(1) 人為設置的中斷人為設置的中斷(2) 程序性事故程序性事故如如 轉管指令轉管指令溢出、操作碼不能識別、除法非法溢出、操作碼不能識別、除法非法(5) 外部事件外部事件(4) I/O 設備設備(3) 硬件故障硬件故障用用 鍵盤中斷鍵盤中斷 現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序轉管指令轉管指令管理程序管理程序2. 中斷系統(tǒng)

19、需解決的問題中斷系統(tǒng)需解決的問題(1) 各中斷源各中斷源 如何如何 向向 CPU 提出請求提出請求 ？(2) 各中斷源各中斷源 同時同時 提出提出 請求請求 怎么辦怎么辦 ？(5) 如何如何 尋找入口地址尋找入口地址 ？(4) 如何如何 保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場 ？(3) CPU 什么什么 條件條件、什么、什么 時間時間、以什么以什么 方式方式 響應中斷響應中斷 ？(6) 如何如何 恢復現(xiàn)場恢復現(xiàn)場，如何，如何 返回返回 ？(7) 處理中斷的過程中又處理中斷的過程中又 出現(xiàn)新的中斷出現(xiàn)新的中斷 怎么辦怎么辦 ？硬件硬件 軟件軟件二、中斷請求標記和中斷判優(yōu)邏輯二、中斷請求標記和中斷判優(yōu)邏輯1. 中斷請求

20、標記中斷請求標記 INTR一個請求源一個請求源 一個一個 INTR 中斷請求標記觸發(fā)器中斷請求標記觸發(fā)器多個多個INTR 組成組成 中斷請求標記寄存器中斷請求標記寄存器INTR 分散分散 在各個中斷源的在各個中斷源的 接口電路中接口電路中INTR 集中集中 在在 CPU 的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng) 內內12345n掉電掉電過熱過熱階上溢階上溢內存讀寫校驗錯內存讀寫校驗錯非法除法非法除法鍵盤鍵盤打印機打印機2. 中斷判優(yōu)邏輯中斷判優(yōu)邏輯 分散分散 在各個中斷源的在各個中斷源的 接口電路中接口電路中 鏈式排隊器鏈式排隊器 集中集中 在在 CPU 內內(1) 硬件實現(xiàn)（排隊器）硬件實現(xiàn)（排隊器） 1 1

21、1 & 1 & 1 &參見參見 第五章第五章INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1 、 INTR2 、 INTR3 、 INTR4 優(yōu)先級優(yōu)先級 按按 降序降序 排列排列 INTP1INTP2INTP3INTP4A、B、C 優(yōu)先級按優(yōu)先級按 降序降序 排列排列(2) 軟件實現(xiàn)（程序查詢）軟件實現(xiàn)（程序查詢）否否是否是否 A 請求？請求？是否是否 B 請求？請求？是否是否 C 請求？請求？轉轉 A 的服務程序的服務程序入口地址入口地址轉轉 B 的服務程序的服務程序入口地址入口地址轉轉 C 的服務程序的服務程序入口地址入口地址是是是是是是否否否否三、中斷服務程序

22、入口地址的尋找三、中斷服務程序入口地址的尋找1. 硬件向量法硬件向量法入口地址入口地址 200入口地址入口地址 300入口地址入口地址 40012 H13 H14 H主存主存12 H13 H14 HJMP 200JMP 300JMP 400主存主存向量地址向量地址形成部件形成部件中斷向量中斷向量排隊器輸出排隊器輸出向量地址向量地址 12H、13H、14H入口地址入口地址 200、 300、 4002. 軟件查詢法軟件查詢法中斷識別程序中斷識別程序（入口地址（入口地址 M）地地 址址說說 明明指指 令令 M JMP 1# SR1# D = 1 轉轉1# 服務程序服務程序 SKP DZ 2# JM

23、P 2# SR2# D = 0 跳跳2# D = 1 轉轉2# 服務程序服務程序 SKP DZ 8# JMP 8# SR8# D = 0 跳跳8# D = 1 轉轉8# 服務程序服務程序八個中斷源八個中斷源 1、2、 8 按按 降序降序 排列排列 SKP DZ 1#1# D = 0 跳跳（D為完成觸發(fā)器）為完成觸發(fā)器）四、中斷響應四、中斷響應1. 響應中斷的響應中斷的 條件條件允許中斷觸發(fā)器允許中斷觸發(fā)器 EINT = 12. 響應中斷的響應中斷的 時間時間指令執(zhí)行周期結束時刻由指令執(zhí)行周期結束時刻由CPU 發(fā)查詢信號發(fā)查詢信號 CPU中斷查詢中斷查詢INTR1DQINTR2DQINTRnDQ

24、中斷源中斷源 1中斷源中斷源 2中斷源中斷源 n至排隊器至排隊器3. 中斷隱指令中斷隱指令(1) 保護程序斷點保護程序斷點(2) 尋找服務程序入口地址尋找服務程序入口地址(3) 硬件硬件 關中斷關中斷向量地址向量地址形成部件形成部件INTSQREINTSQRPC 1 &1排隊器排隊器斷點存于斷點存于 特定地址特定地址（ 0 號地址）號地址） 內內斷點斷點 進棧進棧INT 中斷標記中斷標記EINT 允許中斷允許中斷R S 觸發(fā)器觸發(fā)器向量地址向量地址PC （硬件向量法）（硬件向量法）中斷識別程序中斷識別程序 入口地址入口地址MPC（軟件查詢法）（軟件查詢法）五、保護現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場五、保護

25、現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場1. 保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場2. 恢復現(xiàn)場恢復現(xiàn)場寄存器寄存器 內容內容斷點斷點保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場其他服務程序其他服務程序恢復現(xiàn)場恢復現(xiàn)場中斷返回中斷返回PUSH視不同請求源而定視不同請求源而定POP中斷服務程序中斷服務程序 完成完成中中斷斷服服務務程程序序中斷隱指令中斷隱指令 完成完成中斷服務程序中斷服務程序 完成完成IRET1. 多重中斷的概念多重中斷的概念klmk +1l +1m +1第一次第一次 中斷中斷第二次第二次 中斷中斷第三次第三次 中斷中斷程序斷點程序斷點 k+1 , l+1 , m+1六、中斷屏蔽技術六、中斷屏蔽技術2. 實現(xiàn)多重中斷的條件實現(xiàn)多重中斷的條件B, CA中

26、斷中斷請求請求主程序主程序(2) 優(yōu)先級別高優(yōu)先級別高 的中斷源的中斷源 有權中斷優(yōu)先級別低有權中斷優(yōu)先級別低 的中斷源的中斷源(1) 提前提前 設置設置 開中斷開中斷 指令指令ABCD中斷服務程序中斷服務程序（ A、B、 C、 D 優(yōu)先級按優(yōu)先級按 降序降序 排列）排列）D &3. 屏蔽技術屏蔽技術(1) 屏蔽觸發(fā)器的作用屏蔽觸發(fā)器的作用MASK = 0（未屏蔽）未屏蔽）INTR 能被置能被置 “1” 1 & & & 1 1 1 1INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4MASK1MASK2MASK3MASK4DQ 1

27、DINTR MASKQCPU查詢查詢MASKi = 1 （屏蔽）屏蔽）INTPi = 0 （不能被排隊選中）不能被排隊選中）(2) 屏蔽字屏蔽字優(yōu)先級優(yōu)先級屏屏 蔽蔽 字字 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1123456151616個中斷源個中斷源 1、2、3 16 按按 降序降序 排列排列(3) 屏蔽技術可改變優(yōu)先等級屏蔽技術可改變優(yōu)先等級