第八章 CPU 的結(jié)構(gòu)和

1、第章第章 CPU CPU 的結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)構(gòu)和功能8.1 CPU 8.1 CPU 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)8.3 8.3 指令流水指令流水8.2 8.2 指令周期指令周期8.4 8.4 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) 8.1 8.1 CPU CPU 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 2 2、CPU CPU 結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖 CPU CPU 與系統(tǒng)總線與系統(tǒng)總線寄存器寄存器ALUALU 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)CUCUCPUCPU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 CPU CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 算術(shù)和算術(shù)和布爾邏輯布爾邏輯取反取反移位移位狀態(tài)標(biāo)志狀態(tài)標(biāo)志內(nèi)部?jī)?nèi)部 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線C CP PU U寄存器寄存器CUCU中斷中斷

2、系統(tǒng)系統(tǒng)ALUALU控制信號(hào)控制信號(hào)ALU數(shù)據(jù)緩沖寄存器狀態(tài)字寄存器地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)57061007661077304031地址地址OP碼碼地址碼地址碼101MOVR0,R1102LADR1,6103ADDR1,R2104STOR2,(R3)105JMP101106ANDR1,R3107地址寄存器程序計(jì)數(shù)器時(shí)序發(fā)生器操作控制器指令譯碼器OP碼地址碼R0R1R2R3數(shù)存cache指存cacheAR數(shù)據(jù)地址總線指令地址總線控制信號(hào)OCPCIR指令寄存器C1C2C1C2C3Cn累加寄存累加寄存器器 指令寄存器指令寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器CPUCPU數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器地址寄存器

3、地址寄存器3、 CPU中的主要寄存器中的主要寄存器 4、 CPU操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器 n操作控制器的功能操作控制器的功能:根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)操作控制信號(hào)，以正確建立數(shù)據(jù)通路，完成取指令和執(zhí)行，以正確建立數(shù)據(jù)通路，完成取指令和執(zhí)行指令的控制。指令的控制。n根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，操作控制器可分為：根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，操作控制器可分為： (1) 硬布線控制器：硬布線控制器：采用組合邏輯技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；采用組合邏輯技術(shù)來實(shí)現(xiàn)； (2) 微程序控制器：微程序控制器：采用存儲(chǔ)邏輯來實(shí)現(xiàn)；采用存儲(chǔ)邏輯來實(shí)現(xiàn)； (3) 門陣列控制器：

4、門陣列控制器：吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)的。吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)的。 本章重點(diǎn)介紹微程序控制器本章重點(diǎn)介紹微程序控制器.n時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器:產(chǎn)生對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行時(shí)間上控制的定時(shí)信號(hào)產(chǎn)生對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行時(shí)間上控制的定時(shí)信號(hào).一、指一、指令周期的基本概念令周期的基本概念 指令周期指令周期: : CPUCPU從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行完這從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行完這條指令的時(shí)間總和條指令的時(shí)間總和 CPU CPU周期周期: :又稱又稱機(jī)器周期機(jī)器周期（總線周期總線周期），），CPUCPU訪問訪問內(nèi)存所花的時(shí)間較長(zhǎng)，因此用內(nèi)存所花的時(shí)間較長(zhǎng)，因此用CPUCPU從內(nèi)存讀取一條指令從內(nèi)存讀取一條指令字

5、的所需的最短時(shí)間來定義字的所需的最短時(shí)間來定義 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期: : 通常稱為通常稱為節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖或或T T周期周期。一個(gè)。一個(gè)CPUCPU周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期T T 相互關(guān)系相互關(guān)系： 1 1個(gè)指令周期個(gè)指令周期 = = 若干個(gè)若干個(gè)CPUCPU周期周期 1 1個(gè)個(gè)CPUCPU周期周期 = = 若干若干T T周期周期 取指時(shí)間執(zhí)行指令時(shí)間取指時(shí)間執(zhí)行指令時(shí)間8.2 8.2 指指 令令 周周 期期指令周期、機(jī)器周期、指令周期、機(jī)器周期、時(shí)鐘周期的關(guān)系時(shí)鐘周期的關(guān)系020020 CLACLA；累加器清；累加器清0 0021021 ADD 30ADD 30；（；（AC

6、AC）+ +（3030）ACAC022022 STA 40STA 40；（；（ACAC）(40)(40)023023 NOPNOP； 空操作空操作024024 JMP 21JMP 21； 21 21 PC PC 030 000 006030 000 006; ; 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 040 040 存和數(shù)存和數(shù); ; 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)5 5條典型指令構(gòu)成的簡(jiǎn)單程序條典型指令構(gòu)成的簡(jiǎn)單程序一個(gè)一個(gè)CPU周期周期一個(gè)一個(gè)CPU周期周期取指令階段取指令階段執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令階段開始開始取指令取指令PC+1對(duì)指令對(duì)指令譯碼譯碼執(zhí)行指令執(zhí)行指令取下條指取下條指令令PC+1CLA指令的指令周期指令的指令周期取出取出CLA

7、CLA指令指令算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器地址寄存器AR地址總線地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBUS累加器累加器AC緩沖寄存器緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)狀態(tài)反饋反饋取指取指控制控制執(zhí)行執(zhí)行控制控制cccc+1000 0202021222324303140CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020CLACLA000 021算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器

8、地址寄存器AR地址總線地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBUS累加器累加器AC緩沖寄存器緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器指令寄存器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)狀態(tài)反饋反饋取指取指控制控制執(zhí)行執(zhí)行控制控制cccc+12021222324303140CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020CLACLA000 021000 000執(zhí)行執(zhí)行CLACLA指令指令A(yù)DDADD指令的指令周期指令的指令周期 一個(gè)CPU周期 一個(gè)CPU周期取指令階段取指令階段執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令階段開始開始取指令取指令PC+1對(duì)指令對(duì)指令譯

9、碼譯碼送操作送操作數(shù)地址數(shù)地址取下條指取下條指令令PC+1取出操取出操作數(shù)作數(shù)執(zhí)行加執(zhí)行加操作操作一個(gè)CPU周期算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+12021222324303140CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 021ADDADD 30000 021000 022000 030000 0060+6=6000 006取出并執(zhí)行取出并執(zhí)行

10、ADDADD指令指令 STA STA指令的指令周期指令的指令周期 算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器地址寄存器AR地址總線地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBUS累加器累加器AC緩沖寄存器緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存指令寄存器器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)狀態(tài)反饋反饋取指取指控制控制執(zhí)行執(zhí)行控制控制cccc+120212223243040CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 022STASTA 40000 022000 023000 040000 00600

11、0 006000 006取出并執(zhí)行取出并執(zhí)行STASTA指令指令NOPNOP指令和指令和JMPJMP指令的指令周期指令的指令周期算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器地址寄存器AR地址總線地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBUS累加器累加器AC緩沖寄存器緩沖寄存器DRALU指令寄存器指令寄存器IR指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)狀態(tài)反饋反饋取指取指控制控制執(zhí)行執(zhí)行控制控制cccc+120212223243040CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 024JMP 21JMP 2

12、1000 024000 021000 006000 006000 025000 021取出并執(zhí)行取出并執(zhí)行JMPJMP指令指令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)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期無條件轉(zhuǎn)移指令無條件轉(zhuǎn)移指令加法指令加法指令乘法指令乘法指令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具有間接尋址的指令周期具有間接尋址的指令周期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指令周期

13、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CPU CPU 工作周期的標(biāo)志工作周期的標(biāo)志CPU CPU 訪存有四種性質(zhì)訪存有四種性質(zhì)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(diǎn)程序斷點(diǎn)取指周期取指周期 FEFE間址周期間址周期 INDIND執(zhí)行周期執(zhí)行周期 EXEX中斷周期中斷周期 INTINTFEDINDDINTDCLK1FE1IND1EX1INTEXD1. 1. 取指周期數(shù)據(jù)流取指周期數(shù)據(jù)流二、二、 指令周期的數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器CPU地址總線

14、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 PCMAR AB M DB MDR IR,PC+1 PC2. 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(chǔ)器存儲(chǔ)器MDRAd(MDR) MAR AB M DB(EA) MDR形成地址形成地址Ad(MDR) 3. 3. 執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流4 . 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(chǔ)器存儲(chǔ)器SP MAR AB M,PC MDR DB M

15、,入口地址入口地址PC8.3 8.3 指指 令令 流流 水水一、如何提高機(jī)器速度一、如何提高機(jī)器速度1. 1. 提高訪存速度提高訪存速度2. 2. 提高提高 I/O I/O 和主機(jī)之間的傳送速度和主機(jī)之間的傳送速度 提高整機(jī)處理能力提高整機(jī)處理能力高速芯片高速芯片CacheCache多體并行多體并行I/O I/O 處理機(jī)處理機(jī)DMADMA多總線多總線通道通道高速器件高速器件改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，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. 3. 提高運(yùn)算器速度提高運(yùn)算器速度高速芯片高速芯片改進(jìn)算法改進(jìn)算法快速進(jìn)位鏈快速進(jìn)位鏈 標(biāo)準(zhǔn)的馮標(biāo)準(zhǔn)的馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)是串行處理，即一個(gè)時(shí)諾依曼體系

16、結(jié)構(gòu)是串行處理，即一個(gè)時(shí)刻只能進(jìn)行一個(gè)操作?？讨荒苓M(jìn)行一個(gè)操作。 并行性的兩種含義并行性的兩種含義n同時(shí)性同時(shí)性：兩個(gè)以上事件在：兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻同一時(shí)刻發(fā)生。如多機(jī)發(fā)生。如多機(jī)系統(tǒng)中，同一時(shí)刻多個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行。系統(tǒng)中，同一時(shí)刻多個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行。 n并發(fā)性并發(fā)性：兩個(gè)以上事件在：兩個(gè)以上事件在同一間隔內(nèi)同一間隔內(nèi)發(fā)生。如并發(fā)生。如并發(fā)程序，某一時(shí)刻發(fā)程序，某一時(shí)刻CPUCPU中只有一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，而中只有一個(gè)進(jìn)程在運(yùn)行，而在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行。在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，多個(gè)進(jìn)程同時(shí)運(yùn)行。 二、系統(tǒng)的并行性二、系統(tǒng)的并行性并行性的等級(jí)并行性的等級(jí)指令級(jí)（指令之間）指令級(jí)（指令之間）（指令內(nèi)部

17、）（指令內(nèi)部）過程級(jí)（程序、進(jìn)程）過程級(jí)（程序、進(jìn)程） 粗粒度粗粒度軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度細(xì)粒度硬件實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)并行性的三種形式并行性的三種形式時(shí)間并行時(shí)間并行：即使用流水處理部件，：即使用流水處理部件，時(shí)間重疊時(shí)間重疊。 空間并行空間并行：設(shè)置：設(shè)置重復(fù)資源重復(fù)資源，同時(shí)工作。，同時(shí)工作。 主要體主要體現(xiàn)在多處理器系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?，F(xiàn)在多處理器系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。時(shí)間并行空間并行時(shí)間并行空間并行：時(shí)間重疊和資源重復(fù)的：時(shí)間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用。綜合應(yīng)用。 如奔騰如奔騰CPUCPU采用超標(biāo)量流水技術(shù)，采用超標(biāo)量流水技術(shù)，在一個(gè)機(jī)器周期中同時(shí)執(zhí)行兩條指令。在一個(gè)機(jī)器周期中同時(shí)執(zhí)行兩條指令。

18、 1.1.順序執(zhí)行方式順序執(zhí)行方式: :串行執(zhí)行串行執(zhí)行 取指令取指令 i 分析分析 i 執(zhí)行執(zhí)行 i 取指令取指令 i+1 分析分析 i+1 執(zhí)行執(zhí)行 i+1 t取指令取指令it分析分析it執(zhí)行執(zhí)行i假設(shè)假設(shè)1 1：取指令、分析指令和執(zhí)行指令所需時(shí)間分取指令、分析指令和執(zhí)行指令所需時(shí)間分別為別為t t取指令取指令、t t分析分析和和t t執(zhí)行執(zhí)行。結(jié)果結(jié)果1 1：執(zhí)行執(zhí)行n n條條指令所花的時(shí)間指令所花的時(shí)間niiiitttT1)(執(zhí)行分析取指令三、指令流水原理三、指令流水原理假設(shè)假設(shè)2 2：取指令、分析指令和執(zhí)行指令取指令、分析指令和執(zhí)行指令3 3個(gè)階個(gè)階段所需時(shí)間相等，設(shè)為段所需時(shí)間相等

19、，設(shè)為t t 。結(jié)果結(jié)果2 2：順序執(zhí)行順序執(zhí)行n n條指令所需要的時(shí)間為：條指令所需要的時(shí)間為：T=3nt優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)n控制簡(jiǎn)單，節(jié)省設(shè)備?？刂坪?jiǎn)單，節(jié)省設(shè)備。主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)n 處理機(jī)執(zhí)行指令的速度慢處理機(jī)執(zhí)行指令的速度慢n 功能部件的利用率很低功能部件的利用率很低 2. 2.重疊方式重疊方式假設(shè)：假設(shè)：如果指令執(zhí)行的如果指令執(zhí)行的3 3個(gè)階段所需時(shí)間均為個(gè)階段所需時(shí)間均為t t。結(jié)果：結(jié)果： 一次重疊方式執(zhí)行一次重疊方式執(zhí)行n n條指令所需要的時(shí)間為：條指令所需要的時(shí)間為：（1 1）一次重疊：一次重疊：第第i i條指令的執(zhí)行階段和第條指令的執(zhí)行階段和第i+1i+1條指條指令的取指令階段同時(shí)進(jìn)

20、行，執(zhí)行過程如圖所示。令的取指令階段同時(shí)進(jìn)行，執(zhí)行過程如圖所示。 一次重疊執(zhí)行方式一次重疊執(zhí)行方式 取指令i 分 析i 執(zhí) 行i 取指令i+1 分 析i+1 執(zhí) 行i+1 取指令i+2 分 析i+2 執(zhí) 行i+2 時(shí)間tttt3t2t2tT=3t+(n-1)2t=(1+2n)t假設(shè)：假設(shè)：如果指令執(zhí)行的如果指令執(zhí)行的3 3個(gè)階段所需時(shí)間均為個(gè)階段所需時(shí)間均為t t。結(jié)果：結(jié)果： 二次重疊方式執(zhí)行二次重疊方式執(zhí)行n n條指令所需要的時(shí)間為：條指令所需要的時(shí)間為：（2 2）二次重疊：）二次重疊：指第指第i i條指令的執(zhí)行階段、第條指令的執(zhí)行階段、第i+1i+1條條指令的分析階段和第指令的分析階段和

21、第i+2i+2條指令的取指令階段同時(shí)進(jìn)條指令的取指令階段同時(shí)進(jìn)行。行。執(zhí)執(zhí) 行行i+2 取指令取指令i 分分 析析i 取指令取指令i+1取指令取指令i+2 執(zhí)執(zhí) 行行i 分分 析析i+1 分分 析析i+2 執(zhí)執(zhí) 行行i+1 ttt3tttT= 3t+(n-1)t =(2+n)t（3 3）指令執(zhí)行階段重疊執(zhí)行，必須解決兩個(gè)問題：）指令執(zhí)行階段重疊執(zhí)行，必須解決兩個(gè)問題： 必須有獨(dú)立的必須有獨(dú)立的取指令部件、指令分析部件和指令取指令部件、指令分析部件和指令執(zhí)行執(zhí)行部件。部件。 要解決訪問主存沖突問題，通常有要解決訪問主存沖突問題，通常有3 3種方法：種方法：u 主存分成兩個(gè)獨(dú)立編址的存儲(chǔ)器：一個(gè)是

22、指主存分成兩個(gè)獨(dú)立編址的存儲(chǔ)器：一個(gè)是指令存儲(chǔ)器，專門存放指令；另一個(gè)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，令存儲(chǔ)器，專門存放指令；另一個(gè)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，專門存放數(shù)據(jù)。專門存放數(shù)據(jù)。 u 主存采用低位交叉編址的并行存儲(chǔ)器，在一個(gè)主存采用低位交叉編址的并行存儲(chǔ)器，在一個(gè)存儲(chǔ)周期中可以訪問多個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)周期中可以訪問多個(gè)存儲(chǔ)單元。 u 采用先行控制技術(shù)，這是解決訪問沖突的根采用先行控制技術(shù)，這是解決訪問沖突的根本方法本方法 先行控制技術(shù)先行控制技術(shù) 要解決二次重疊執(zhí)行方式中存在的訪問主存儲(chǔ)器要解決二次重疊執(zhí)行方式中存在的訪問主存儲(chǔ)器的沖突問題，方法有三種：的沖突問題，方法有三種：第一，把主存儲(chǔ)器分成兩個(gè)獨(dú)立編址的存儲(chǔ)器

23、，一第一，把主存儲(chǔ)器分成兩個(gè)獨(dú)立編址的存儲(chǔ)器，一個(gè)專門存放指令，稱為指令存儲(chǔ)器，另一個(gè)專門存放個(gè)專門存放指令，稱為指令存儲(chǔ)器，另一個(gè)專門存放操作數(shù)，稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。兩個(gè)存儲(chǔ)器同時(shí)獨(dú)立訪問操作數(shù)，稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。兩個(gè)存儲(chǔ)器同時(shí)獨(dú)立訪問，解決了取指令和讀操作數(shù)的沖突。，解決了取指令和讀操作數(shù)的沖突。第二，指令和數(shù)據(jù)仍然混合存放在同一個(gè)主存作儲(chǔ)第二，指令和數(shù)據(jù)仍然混合存放在同一個(gè)主存作儲(chǔ)器內(nèi)，采用低位交叉存取方式。器內(nèi)，采用低位交叉存取方式。第三，解決訪問存儲(chǔ)器沖突的根本辦法是處理機(jī)結(jié)第三，解決訪問存儲(chǔ)器沖突的根本辦法是處理機(jī)結(jié)構(gòu)作較大的改變，采用先行控制技術(shù)。構(gòu)作較大的改變，采用先行控制技術(shù)。 先

24、行控制的基本思想是使分析部件和執(zhí)行部件能先行控制的基本思想是使分析部件和執(zhí)行部件能分別連續(xù)不斷地分析和執(zhí)行指令，這種技術(shù)實(shí)際上分別連續(xù)不斷地分析和執(zhí)行指令，這種技術(shù)實(shí)際上是預(yù)處理技術(shù)和緩沖技術(shù)的結(jié)合，即通過對(duì)指令流是預(yù)處理技術(shù)和緩沖技術(shù)的結(jié)合，即通過對(duì)指令流和數(shù)據(jù)流的預(yù)處理和緩沖，能夠盡量使指令分析器和數(shù)據(jù)流的預(yù)處理和緩沖，能夠盡量使指令分析器和指令執(zhí)行部件獨(dú)立地工作，并始終處于忙碌狀態(tài)。和指令執(zhí)行部件獨(dú)立地工作，并始終處于忙碌狀態(tài)。這樣，就能夠使取指令、分析指令和執(zhí)行指令重疊這樣，就能夠使取指令、分析指令和執(zhí)行指令重疊起來執(zhí)行。使指令分析器和執(zhí)行部件能盡量地連續(xù)起來執(zhí)行。使指令分析器和執(zhí)行部

25、件能盡量地連續(xù)工作。而且，在采用了緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)之后，工作。而且，在采用了緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)之后，運(yùn)算器能夠?qū)Ｐ母蓴?shù)據(jù)的運(yùn)算、從而大幅度提高指運(yùn)算器能夠?qū)Ｐ母蓴?shù)據(jù)的運(yùn)算、從而大幅度提高指令的執(zhí)行速度。在正常情況下，處理機(jī)中同時(shí)有三令的執(zhí)行速度。在正常情況下，處理機(jī)中同時(shí)有三條指令在執(zhí)行。條指令在執(zhí)行。 先行控制技術(shù)最早在先行控制技術(shù)最早在IBMIBM公司研制的機(jī)器中采用公司研制的機(jī)器中采用。目前，先行控制技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中被普遍。目前，先行控制技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中被普遍采用的一項(xiàng)重要技術(shù)，許多處理機(jī)中都已經(jīng)采用了采用的一項(xiàng)重要技術(shù)，許多處理機(jī)中都已經(jīng)采用了這種技術(shù)，包括超流水線處

26、理機(jī)和超標(biāo)量處理機(jī)等這種技術(shù)，包括超流水線處理機(jī)和超標(biāo)量處理機(jī)等。3、指令的六級(jí)流水、指令的六級(jí)流水六級(jí)流水六級(jí)流水1414 個(gè)時(shí)間單位個(gè)時(shí)間單位串行執(zhí)行串行執(zhí)行6 6 9 9 5454個(gè)時(shí)間單位個(gè)時(shí)間單位完成完成 一條指令一條指令6 6 個(gè)時(shí)間單位個(gè)時(shí)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

27、 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t取指、譯碼、計(jì)算操作數(shù)地址、取指、譯碼、計(jì)算操作數(shù)地址、取數(shù)、執(zhí)行，寫回取數(shù)、執(zhí)行，寫回ALUALU取取/ /存存轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移IFIF取指取指取指取指取指取指IDID譯碼，譯碼，讀寄存器堆讀寄存器堆譯碼，譯碼，讀寄存器堆讀寄存器堆譯碼，譯碼，讀寄存器堆讀寄存器堆EXEX執(zhí)行執(zhí)行計(jì)算訪存有效計(jì)算訪存有效地址地址計(jì)算轉(zhuǎn)移目標(biāo)地計(jì)算轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址，設(shè)置條件碼址，設(shè)置條件碼MEMMEM訪存訪存( (讀或?qū)懽x或?qū)? )若條件成立，轉(zhuǎn)若條件成立，轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址送移目標(biāo)地址送PCPCWBWB結(jié)果寫回寄結(jié)果寫回寄存器堆存器堆將讀出的數(shù)據(jù)將讀出的數(shù)據(jù)寫入寄存器堆寫入寄

28、存器堆指令指令流水段流水段不同類型指令中各流水段所進(jìn)行的操作不同類型指令中各流水段所進(jìn)行的操作四四. . 影響流水線性能的因素影響流水線性能的因素1. 1. 結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān) 結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)相關(guān)關(guān)是是當(dāng)指令在重疊執(zhí)行過程中，硬件資源當(dāng)指令在重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求，發(fā)生資源沖突時(shí)將滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求，發(fā)生資源沖突時(shí)將產(chǎn)生產(chǎn)生“結(jié)構(gòu)相關(guān)結(jié)構(gòu)相關(guān)”。例：假定一條指令流水線由五段組成，且僅有例：假定一條指令流水線由五段組成，且僅有IF過程和過程和MEM過程需要訪問存儲(chǔ)器過程需要訪問存儲(chǔ)器 I1與與I4兩條指令在時(shí)鐘兩條指令在時(shí)鐘4爭(zhēng)用存儲(chǔ)器資源的相關(guān)沖突爭(zhēng)用存儲(chǔ)器資源的

29、相關(guān)沖突表表8.3 8.3 解決訪存沖突的一種方案解決訪存沖突的一種方案 當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，流水線有可能當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，流水線有可能改變指令讀改變指令讀/ /寫操作數(shù)的順序，使之不同于它們寫操作數(shù)的順序，使之不同于它們?cè)诜橇魉畬?shí)現(xiàn)時(shí)的順序，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)相關(guān)。在非流水實(shí)現(xiàn)時(shí)的順序，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)相關(guān)。 ADDADDR1R1， R2R2，R3R3SUBSUBR4R4， R1R1，R5R52 2、 數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)先寫后讀錯(cuò)誤先寫后讀錯(cuò)誤數(shù)據(jù)相關(guān)的分類數(shù)據(jù)相關(guān)的分類兩條指令兩條指令 i i 和和 j j，都會(huì)訪問同一寄存器，都會(huì)訪問同一寄存器R R，假設(shè)假設(shè)i i 先進(jìn)入流水線，

30、則它們對(duì)先進(jìn)入流水線，則它們對(duì)R R有四種不有四種不同的訪問順序：同的訪問順序：(1)(1) 寫后讀寫后讀( ( RAW RAW ) ) i i 寫寫j j 讀讀u如果如果j j 在在i i 完成寫之前從完成寫之前從R R 中讀出數(shù)據(jù)，中讀出數(shù)據(jù)，將得到錯(cuò)誤的結(jié)果！將得到錯(cuò)誤的結(jié)果！u最常見的數(shù)據(jù)相關(guān)，嚴(yán)重制約了最常見的數(shù)據(jù)相關(guān)，嚴(yán)重制約了CPUCPU的性的性能，是程序最重要的特征之一！能，是程序最重要的特征之一！(2) (2) 讀后寫讀后寫( (WAR WAR ) ) i i 讀讀j j 寫寫u如果如果j j 先將數(shù)據(jù)寫入先將數(shù)據(jù)寫入R R，i i 將讀出錯(cuò)誤的將讀出錯(cuò)誤的結(jié)果！結(jié)果！u當(dāng)有

31、些指令在流水段后半部分讀源操作數(shù)，當(dāng)有些指令在流水段后半部分讀源操作數(shù)，另一些指令在流水線前半部分寫結(jié)果，可另一些指令在流水線前半部分寫結(jié)果，可能引起這種類型的相關(guān)。能引起這種類型的相關(guān)。 (3) (3) 寫后寫寫后寫( ( WAW WAW ) ) i i 寫寫j j 寫寫 如果如果j j 在在i i 之前完成寫操作，之前完成寫操作，R R中將保中將保存錯(cuò)誤的結(jié)果！存錯(cuò)誤的結(jié)果！ (4) (4) 讀后讀讀后讀( (RAR RAR ) ) i i 讀讀j j 讀讀 不引起數(shù)據(jù)相關(guān)！不引起數(shù)據(jù)相關(guān)！ ADD R1， R2，R3SUBR4， R1，R5AND R6， R1，R7ORR8， R1，R9

32、XORR10，R1，R11解決方法解決方法1 1： 后推法：后推法：即遇到數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，就停頓后繼指令即遇到數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，就停頓后繼指令的執(zhí)行，直至前面指令的結(jié)果已經(jīng)形成。的執(zhí)行，直至前面指令的結(jié)果已經(jīng)形成。未對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)進(jìn)行特殊處理的流水線未對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)進(jìn)行特殊處理的流水線對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)進(jìn)行特殊處理的流水線對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)進(jìn)行特殊處理的流水線解決方法解決方法2 2：通過通過定向技術(shù)定向技術(shù)減少數(shù)據(jù)相關(guān)帶來的暫停減少數(shù)據(jù)相關(guān)帶來的暫停定向，定向，也稱為也稱為旁路旁路(bypassing)(bypassing)主要思路：將計(jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方主要思路：將計(jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接直接送到真正需要它的地方送到真正

33、需要它的地方，就可以避免暫停。，就可以避免暫停。- 寄存器文件寄存器文件EX/MEMEX/MEM中的中的ALUALU運(yùn)算結(jié)果總是運(yùn)算結(jié)果總是回送到回送到ALUALU的輸入寄存器的輸入寄存器- 從定向通路得到輸入數(shù)據(jù)的從定向通路得到輸入數(shù)據(jù)的ALUALU操作不必操作不必從源寄存器中讀取操作數(shù)從源寄存器中讀取操作數(shù)3. 3. 控制相關(guān)控制相關(guān)控制相關(guān)控制相關(guān)沖突由沖突由轉(zhuǎn)移指令（分支指令）轉(zhuǎn)移指令（分支指令）引起引起執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，依據(jù)轉(zhuǎn)移條件的產(chǎn)生結(jié)果執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，依據(jù)轉(zhuǎn)移條件的產(chǎn)生結(jié)果可能為順序取下條指令可能為順序取下條指令也可能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令也可能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令地址不定

34、，流水線需要暫停、地址不定，流水線需要暫停、發(fā)生斷流發(fā)生斷流轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令主要有：主要有：無條件轉(zhuǎn)移指令，過無條件轉(zhuǎn)移指令，過程調(diào)用和返回程調(diào)用和返回，條，條件分支指令件分支指令 由程序執(zhí)行轉(zhuǎn)移類指令而引起的相關(guān)。影響范圍比由程序執(zhí)行轉(zhuǎn)移類指令而引起的相關(guān)。影響范圍比較大，會(huì)引起程序執(zhí)行方向的改變。在流水線中，較大，會(huì)引起程序執(zhí)行方向的改變。在流水線中，對(duì)流水線的吞吐率和效率的影響很大。對(duì)流水線的吞吐率和效率的影響很大。 無條件轉(zhuǎn)移無條件轉(zhuǎn)移 1. 1. 轉(zhuǎn)移指令在流水線處理機(jī)中的處理轉(zhuǎn)移指令在流水線處理機(jī)中的處理k ： k +1： JMP L L ： 分分析析 k k執(zhí)執(zhí)行行 k k分分析

35、析 k k+ +1 1指指令令 L L 不不在在先先行行指指令令緩緩沖沖棧棧中中：取取指指令令 L L分分析析 L L執(zhí)執(zhí)行行 L L指指令令 L L 在在先先行行指指令令緩緩沖沖棧棧中中：分分析析 L L執(zhí)執(zhí)行行 L L分分析析 L L+ +1 1執(zhí)執(zhí)行行 L L+ +1 1無無條條件件轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移指指令令的的執(zhí)執(zhí)行行時(shí)時(shí)序序 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移指令有兩種：條件轉(zhuǎn)移指令有兩種：一般條件轉(zhuǎn)移指令一般條件轉(zhuǎn)移指令和和復(fù)合條件轉(zhuǎn)復(fù)合條件轉(zhuǎn)移指令移指令。 一般條件轉(zhuǎn)移指令一般條件轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移條件來自上一條指令，或更前面的指令。的轉(zhuǎn)移條件來自上一條指令，或更前面的指令。 k ： ；置條件碼置條件碼

36、CCCCk +1：JMP（CC） L ；如果如果CCCC為真轉(zhuǎn)向?yàn)檎孓D(zhuǎn)向L L，否則繼續(xù)執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行k+2k+2k +2： L ： 分分析析k k 執(zhí)執(zhí)行行k k 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移不不成成功功 分分析析k k+ +1 1 分分析析k k+ +2 2 執(zhí)執(zhí)行行K K+ +2 2 成成功功, ,L L在在緩緩沖沖棧棧 分分析析k k+ +1 1 分分析析L L 執(zhí)執(zhí)行行L L 成成 功功 , ,L L不不 在在 緩緩 沖沖 棧棧 分分析析k k+ +1 1 取取指指令令L L 分分析析L L 執(zhí)執(zhí)行行L L 產(chǎn)產(chǎn)生生轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移條條件件CC 根根據(jù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移條條件件CC判判斷斷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移是是否否成成功功

37、復(fù)合型條件轉(zhuǎn)移指令復(fù)合型條件轉(zhuǎn)移指令直接根據(jù)本條指令的執(zhí)行結(jié)果決定是直接根據(jù)本條指令的執(zhí)行結(jié)果決定是否轉(zhuǎn)移。否轉(zhuǎn)移。 復(fù)合型條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行時(shí)間關(guān)系下：復(fù)合型條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行時(shí)間關(guān)系下： k： OP L ；根據(jù)執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生的條件碼決定是否轉(zhuǎn)向根據(jù)執(zhí)行結(jié)果產(chǎn)生的條件碼決定是否轉(zhuǎn)向L Lk+1： ： L： 執(zhí)執(zhí)行行k k 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移不不成成功功 分分析析k k+ +1 1 執(zhí)執(zhí)行行k k+ +1 1 分分析析k k 執(zhí)執(zhí)行行k k 成成功功，L L在在先先行行指指令令緩緩沖沖棧棧中中 分分析析L L 執(zhí)執(zhí)行行L L 分分 析析k k 執(zhí)執(zhí) 行行k k 成成 功功 ， L L不不 在在 先先 行行

38、 指指 令令 緩緩 沖沖 棧棧 中中 取取 指指 令令L L 分分 析析L L 執(zhí)執(zhí) 行行L L BNE 指令必須等指令必須等CPX 指令的結(jié)果指令的結(jié)果才能判斷出才能判斷出是轉(zhuǎn)移是轉(zhuǎn)移還是順序執(zhí)行還是順序執(zhí)行LDA # 0LDX # 0INXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSADD X, DMWOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI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

39、5 6 7 8 9 10 11 12 13 14轉(zhuǎn)移損失轉(zhuǎn)移損失t設(shè)設(shè) 指令指令3 是轉(zhuǎn)移指令是轉(zhuǎn)移指令1.1.早判別轉(zhuǎn)移是否發(fā)生早判別轉(zhuǎn)移是否發(fā)生2.2.預(yù)取轉(zhuǎn)移成功或不成功的目標(biāo)指令預(yù)取轉(zhuǎn)移成功或不成功的目標(biāo)指令3.3.加快和提前形成條件碼加快和提前形成條件碼4.4.猜測(cè)法猜測(cè)法1. 1. 吞吐率（吞吐率（TPTP） 指在單位時(shí)間內(nèi)流水線完成的任務(wù)數(shù)或輸出的結(jié)指在單位時(shí)間內(nèi)流水線完成的任務(wù)數(shù)或輸出的結(jié)果數(shù)。果數(shù)。 knTPT其中：其中：n n表示任務(wù)數(shù)表示任務(wù)數(shù) T Tk k表示完成表示完成n n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間 五、流水線性能五、流水線性能 假設(shè)各段時(shí)間均相等的流水線假設(shè)

40、各段時(shí)間均相等的流水線各段時(shí)間均相等的流水線各段時(shí)間均相等的流水線時(shí)空?qǐng)D時(shí)空?qǐng)D S1 S2 S3 S4tttt S1 S2 S3 S4 空空間間 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 n-1 n-1 n-1 n-1 n n n n 時(shí)間4t(n-1)t完成n個(gè)任務(wù)n個(gè)任務(wù)所需要的時(shí)間 S1 S2 S3 S4 空空 間間 時(shí)時(shí) 間間 1 （ 單單 位位 ： t） 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 n-1 n-1 n-1 n-1 n n n n k t (n-1) t Tk 流水線完成流水線完成n n個(gè)連續(xù)任務(wù)所需要的總時(shí)間為個(gè)連續(xù)任務(wù)所需要的總時(shí)間為（假設(shè)一條（假設(shè)一條k k

41、段段線性流水線）線性流水線）T Tk kk kt t( (n n-1)-1)t t( (k kn n-1)-1)t t 流水線的流水線的實(shí)際吞吐率實(shí)際吞吐率最大吞吐率最大吞吐率TP =n(k+n-1)tTPmax=n(k+n-1)tlimn=1t最大吞吐率與實(shí)際吞吐率的關(guān)系最大吞吐率與實(shí)際吞吐率的關(guān)系max1TPnknTP流水線的實(shí)際吞吐率小于最大吞吐率，流水線的實(shí)際吞吐率小于最大吞吐率，它除了與每個(gè)段的時(shí)間有關(guān)外，還與流它除了與每個(gè)段的時(shí)間有關(guān)外，還與流水線的段數(shù)水線的段數(shù)k k以及輸入到流水線中的任務(wù)以及輸入到流水線中的任務(wù)數(shù)數(shù)n n等有關(guān)。等有關(guān)。只有當(dāng)只有當(dāng)n nk k時(shí)，才有時(shí)，才有

42、TPTPTPTPmaxmax。 2. 2. 加速比加速比 指流水線加速比是指完成一批任務(wù)時(shí)，不采用流指流水線加速比是指完成一批任務(wù)時(shí)，不采用流水線所用的時(shí)間與采用流水線所用的時(shí)間之比水線所用的時(shí)間與采用流水線所用的時(shí)間之比 其中：其中：用用T0T0表示采用順序方式下的執(zhí)行時(shí)間；表示采用順序方式下的執(zhí)行時(shí)間；用用TkTk表示采用流水線的執(zhí)行時(shí)間；表示采用流水線的執(zhí)行時(shí)間；用用S S表示流水線的加速比表示流水線的加速比 kTTS0各個(gè)功能段執(zhí)行時(shí)間均相等的各個(gè)功能段執(zhí)行時(shí)間均相等的k k段流水線上段流水線上完成完成n n個(gè)連續(xù)任務(wù)的實(shí)際加速比為個(gè)連續(xù)任務(wù)的實(shí)際加速比為 ：1) 1(nkkntnkt

43、knS在在k k個(gè)功能段相等的流水線中，最大加速比為：個(gè)功能段相等的流水線中，最大加速比為： knkknSn1limmax在流水線的各功能段執(zhí)行時(shí)間相等在流水線的各功能段執(zhí)行時(shí)間相等連續(xù)輸入連續(xù)輸入n n個(gè)任務(wù)的情況下，個(gè)任務(wù)的情況下，一條一條k k段流水線的效段流水線的效率為：率為：(1)1kn tnEk kntkn流水線的最高效率為：流水線的最高效率為： 11limmaxnknEn3.3.效率效率 指流水線中各功能段的利用率。指流水線中各功能段的利用率。即：即：在時(shí)空?qǐng)D上，流水線的效率為在時(shí)空?qǐng)D上，流水線的效率為n n個(gè)任務(wù)占用個(gè)任務(wù)占用的時(shí)空區(qū)與的時(shí)空區(qū)與k k個(gè)功能段總的時(shí)空區(qū)之比。個(gè)

44、功能段總的時(shí)空區(qū)之比。 S1 S2 S3 S4 空間空間 時(shí)間時(shí)間 1 （單位：?jiǎn)挝唬簍） 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 n-1 n-1 n-1 n-1 n n n n kt (n-1)t Tk 例例8.1 8.1 假設(shè)指令流水線分取指假設(shè)指令流水線分取指(IF)(IF)、譯碼、譯碼(ID)(ID)、執(zhí)行執(zhí)行(EX)(EX)、回寫、回寫(WR)(WR)四個(gè)階段，共有四個(gè)階段，共有1010條指令連條指令連續(xù)輸入此流水線。續(xù)輸入此流水線。1 1）畫出指令周期流程。）畫出指令周期流程。IF-ID-EX-WRIF-ID-EX-WR2 2）畫出非流水線時(shí)空?qǐng)D。）畫出非流水線時(shí)空?qǐng)D。1212

45、1212T時(shí)間時(shí)間S空間空間空間空間WREXIDIF1 2 3 4 5 6 7 8I1I23 3）畫出流水線時(shí)空?qǐng)D。）畫出流水線時(shí)空?qǐng)D。4 4）假設(shè)時(shí)鐘周期為）假設(shè)時(shí)鐘周期為100ns,100ns,求流水線的實(shí)際吞吐率。求流水線的實(shí)際吞吐率。10/(100ns10/(100ns13) 0.7713) 0.7710107 7 條指令條指令/s/s5 5）求該流水線的加速比。）求該流水線的加速比。4 410/13 10/13 3.083.08S空間空間1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1331245312453124531245 9 10 9 10 9 10 9 10T時(shí)間時(shí)間

46、空間空間WREXIDIFI10I9I8I7I6I5I4I3I2I1六、流水線的多發(fā)技術(shù)六、流水線的多發(fā)技術(shù) 1. 1. 超標(biāo)量技術(shù)超標(biāo)量技術(shù) 每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可 并發(fā)多條獨(dú)立指令并發(fā)多條獨(dú)立指令 不能調(diào)整不能調(diào)整 指令的指令的 執(zhí)行順序執(zhí)行順序配置多個(gè)功能部件配置多個(gè)功能部件 通過編譯優(yōu)化技術(shù)，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來通過編譯優(yōu)化技術(shù)，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來IF ID IF ID EX EX WRWR0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 4 5 6 7 8 6 7 8 9 10 11 12 139 10 11 12 13時(shí)鐘時(shí)鐘周期周期指令序列指令序列2. 2. 超流水線

47、技術(shù)超流水線技術(shù) 在在 一個(gè)時(shí)鐘周期一個(gè)時(shí)鐘周期 內(nèi)內(nèi) 再分段再分段 （ 3 3 段）段） 不能調(diào)整不能調(diào)整 指令的指令的 執(zhí)行順序執(zhí)行順序在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi) 一個(gè)功能部件使用多次一個(gè)功能部件使用多次（3 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 13時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期指令序列指令序列3. 3. 超長(zhǎng)指令字技術(shù)超長(zhǎng)指令字技術(shù) 采用采用 多個(gè)處理部件多個(gè)處理部件具有具有 多個(gè)操作碼字段多個(gè)操作碼字段 的的 超長(zhǎng)指令字超長(zhǎng)指令字（可達(dá)幾百位

48、）（可達(dá)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 13時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期指令序列指令序列七、流水線結(jié)構(gòu)七、流水線結(jié)構(gòu)1. 1. 指令流水線結(jié)構(gòu)指令流水線結(jié)構(gòu)完成一條指令分完成一條指令分 7 7 段段， 每段需一個(gè)時(shí)鐘周期每段需一個(gè)時(shí)鐘周期若若 流水線不出現(xiàn)斷流流水線不出現(xiàn)斷流1 1 個(gè)時(shí)鐘周期出個(gè)時(shí)鐘周期出 1 1 結(jié)果結(jié)果不采用流水技術(shù)不采用流水技術(shù)7 7 個(gè)時(shí)鐘周期出個(gè)時(shí)鐘周期出 1 1 結(jié)

49、果結(jié)果理想情況下，理想情況下，7 7 級(jí)流水級(jí)流水 的速度是不采用流水技術(shù)的的速度是不采用流水技術(shù)的 7 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(jié)果部件回寫結(jié)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. 2. 運(yùn)算流水線運(yùn)算流水線完成完成 浮點(diǎn)加減浮點(diǎn)加減 運(yùn)算運(yùn)算 可分可分對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化 三段三段分段原則分段原則 每段每段 操作時(shí)間操作時(shí)間 盡量盡量 一致一致鎖存器鎖存器對(duì)階功能部件對(duì)階功能部件第一段第一段尾數(shù)加部件尾數(shù)加部件鎖

50、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8.4 8.4 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)一、概述一、概述1. 1. 引起中斷的各種因素引起中斷的各種因素(1) (1) 人為設(shè)置的中斷人為設(shè)置的中斷(2) (2) 程序性事故程序性事故如如 轉(zhuǎn)管指令轉(zhuǎn)管指令溢出、操作碼不能識(shí)別、除法非法溢出、操作碼不能識(shí)別、除法非法(5) (5) 外部事件外部事件(4) I/O (4) I/O 設(shè)備設(shè)備(3) (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(zhuǎn)管指令轉(zhuǎn)管指令管理程序管理程序2. 2. 中斷系統(tǒng)需解決的問題中斷系統(tǒng)需解決的問題(1) (1) 各中斷源各中斷源 如何如何 向向

51、 CPU CPU 提出請(qǐng)求提出請(qǐng)求 ？(2) (2) 各中斷源各中斷源 同時(shí)同時(shí) 提出提出 請(qǐng)求請(qǐng)求 怎么辦怎么辦 ？(5) (5) 如何如何 尋找入口地址尋找入口地址 ？(4) (4) 如何如何 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) ？(3) CPU (3) CPU 什么什么 條件條件、什么、什么 時(shí)間時(shí)間、以什么、以什么 方式方式 響應(yīng)中斷響應(yīng)中斷 ？(6) (6) 如何如何 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，如何，如何 返回返回 ？(7) (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(qǐng)求標(biāo)記和中斷判優(yōu)邏輯二、中斷請(qǐng)求標(biāo)記和中斷判優(yōu)邏輯1. 1. 中斷請(qǐng)求

52、標(biāo)記中斷請(qǐng)求標(biāo)記 INTRINTR一個(gè)請(qǐng)求源一個(gè)請(qǐng)求源 一個(gè)一個(gè) INTRINTR 中斷請(qǐng)求標(biāo)記觸發(fā)器中斷請(qǐng)求標(biāo)記觸發(fā)器多個(gè)多個(gè)INTRINTR 組成組成 中斷請(qǐng)求標(biāo)記寄存器中斷請(qǐng)求標(biāo)記寄存器INTR INTR 分散分散 在各個(gè)中斷源的在各個(gè)中斷源的 接口電路中接口電路中INTR INTR 集中集中 在在 CPU CPU 的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng) 內(nèi)內(nèi)12345n掉電掉電過熱過熱階上溢階上溢主存讀寫校驗(yàn)錯(cuò)主存讀寫校驗(yàn)錯(cuò)非法除法非法除法鍵盤輸入鍵盤輸入打印機(jī)輸出打印機(jī)輸出磁磁盤盤磁磁帶帶CRT顯示顯示鍵鍵盤盤輸輸入入打印打印輸出輸出電電源源故故障障紙紙帶帶輸輸入入保保留留INTR(a)菊花鏈排隊(duì)電路

53、菊花鏈排隊(duì)電路中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求CPUINTR接口接口設(shè)備設(shè)備3接口接口設(shè)備設(shè)備2接口接口設(shè)備設(shè)備1菊花鏈菊花鏈邏輯邏輯菊花鏈菊花鏈邏輯邏輯菊花鏈菊花鏈邏輯邏輯中斷響應(yīng)信號(hào)中斷響應(yīng)信號(hào)集電極開路門集電極開路門+5VINTA2. 2. 中斷判優(yōu)邏輯中斷判優(yōu)邏輯(1) (1) 硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器）硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器）(b) (b) 菊花鏈邏輯菊花鏈邏輯中斷中斷請(qǐng)求請(qǐng)求信號(hào)信號(hào)(高電平有效高電平有效)中斷響應(yīng)信號(hào)中斷響應(yīng)信號(hào)（低電平有效）（低電平有效）INTAINTR(2) (2) 軟件實(shí)現(xiàn)（程序查詢）軟件實(shí)現(xiàn)（程序查詢）保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)A申請(qǐng)服務(wù)？申請(qǐng)服務(wù)？B申請(qǐng)服務(wù)？申請(qǐng)服務(wù)？C申請(qǐng)服

54、務(wù)？申請(qǐng)服務(wù)？外設(shè)外設(shè)A中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序NNN外設(shè)外設(shè)B中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序外設(shè)外設(shè)C中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序YYY三、中斷服務(wù)程序入口地址的尋找三、中斷服務(wù)程序入口地址的尋找1. 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(duì)器輸出排隊(duì)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. 2. 軟件查詢法軟件查詢法 M JMP 1#

55、 SR1# D = 1 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)1# 服務(wù)程序服務(wù)程序 SKP DZ 2# JMP 2# SR2# D = 0 跳跳2# D = 1 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)2# 服務(wù)程序服務(wù)程序 SKP DZ 8# JMP 8# SR8# D = 0 跳跳8# D = 1 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)8# 服務(wù)程序服務(wù)程序八個(gè)中斷源八個(gè)中斷源 1 1，2 2， 8 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）中斷識(shí)別程序中斷識(shí)別程序（入口地址（入口地址 M M）地地 址址說說 明明指指 令令四、中斷響應(yīng)四、中斷響應(yīng)1. 1. 響應(yīng)中斷的響應(yīng)中斷的 條件條件允許中斷觸發(fā)器允許中斷觸發(fā)器 EINT =

56、 1EINT = 12. 2. 響應(yīng)中斷的響應(yīng)中斷的 時(shí)間時(shí)間指令執(zhí)行周期結(jié)束時(shí)刻由指令執(zhí)行周期結(jié)束時(shí)刻由CPU CPU 發(fā)查詢信號(hào)發(fā)查詢信號(hào) CPU中斷查詢中斷查詢INTR1DQINTR2DQINTRnDQ中斷源中斷源 1中斷源中斷源 2中斷源中斷源 n至排隊(duì)器至排隊(duì)器3. 3. 中斷隱指令中斷隱指令(1) (1) 保護(hù)程序斷點(diǎn)保護(hù)程序斷點(diǎn)(2) (2) 尋找服務(wù)程序入口地址尋找服務(wù)程序入口地址(3) (3) 硬件硬件 關(guān)中斷關(guān)中斷向量地址向量地址形成部件形成部件INTSQREINTSQRPC 1 &1排隊(duì)器排隊(duì)器斷點(diǎn)存于斷點(diǎn)存于 特定地址特定地址（ 0 0 號(hào)地址）號(hào)地址） 內(nèi)內(nèi)

57、斷點(diǎn)斷點(diǎn) 進(jìn)棧進(jìn)棧INT INT 中斷標(biāo)記中斷標(biāo)記EINT EINT 允許中斷允許中斷R R S S 觸發(fā)器觸發(fā)器向量地址向量地址PCPC（硬件向量法）（硬件向量法）中斷識(shí)別程序中斷識(shí)別程序 入口地址入口地址M MPCPC（軟件查詢法）（軟件查詢法）五、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)五、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)1. 1. 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)2. 2. 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)寄存器寄存器 內(nèi)容內(nèi)容斷點(diǎn)斷點(diǎn)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)其它服務(wù)程序其它服務(wù)程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回中斷返回PUSHPUSH視不同請(qǐng)求源而定視不同請(qǐng)求源而定POPPOP中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 完成完成中中斷斷服服務(wù)務(wù)程程序序中斷隱指令中斷隱指令 完成完成

58、中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 完成完成IRETIRET1. 1. 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(diǎn)程序斷點(diǎn) k k+1 , +1 , l l+1 , +1 , m m+1+1六、中斷屏蔽技術(shù)六、中斷屏蔽技術(shù)中斷否？中斷否？保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備服務(wù)設(shè)備服務(wù)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 開中斷開中斷中斷返回中斷返回取指令取指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) 程序斷點(diǎn)進(jìn)棧程序斷點(diǎn)進(jìn)棧 關(guān)中斷關(guān)中斷 向量地址向量地址 PC中斷周期中斷周期是是中斷返回中斷返回保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備服務(wù)設(shè)備服務(wù)恢

59、復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)開中斷開中斷開中斷開中斷開中斷開中斷中斷隱指令中斷隱指令中斷隱指令中斷隱指令否否取指令取指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令中斷否？中斷否？否否 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) 程序斷點(diǎn)進(jìn)棧程序斷點(diǎn)進(jìn)棧 關(guān)中斷關(guān)中斷向量地址向量地址 PC中斷周期中斷周期是是中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序單重單重 多重多重 單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程單重中斷和多重中斷的服務(wù)程序流程2. 2. 實(shí)現(xiàn)多重中斷的條件實(shí)現(xiàn)多重中斷的條件B、CA中斷中斷請(qǐng)求請(qǐng)求主程序主程序(2) (2) 優(yōu)先級(jí)別高優(yōu)先級(jí)別高 的中斷源的中斷源 有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低 的中斷源的中斷源(1) (1) 提前提前 設(shè)置設(shè)置 開中斷開中斷 指令指令A(yù)BCD中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序（ A、B、 C、 D 優(yōu)先級(jí)按優(yōu)先級(jí)按 降序降序 排列）排列）D &3. 3. 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)(1) (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