計(jì)算機(jī)組成原理第5章課件

第五章

中央處理器

第五章

中央處理1計(jì)算機(jī)組成原理第5章中央處理器

5.1CPU的組成和功能 5.7流水CPU5.2

指令周期 5.8RISCCPU5.3時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 5.9多媒體CPU5.4微程序控制器5.5硬連線線控制器5.6傳統(tǒng)CPU☆☆☆☆☆☆☆計(jì)算機(jī)組成原理第5章中央處理器5.1CPU的組成和功能25.1CPU的功能和組成5.1.1CPU的功能5.1.2CPU的基本組成5.1.3CPU中的主要寄存器5.1.4操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器中央處理器是控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成取出指令和執(zhí)行指令任務(wù)的部件。它是計(jì)算機(jī)的核心部件，通常簡(jiǎn)稱為CPU（CentralProcessingUnit）5.1CPU的功能和組成5.1.1CPU的功能35.1.1CPU的功能

★指令控制

保證機(jī)器按程序規(guī)定的順序取出執(zhí)行★操作控制

CPU產(chǎn)生每條指令對(duì)應(yīng)的操作信號(hào)，并把操作信號(hào)送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作★時(shí)間控制

對(duì)各種操作的實(shí)施時(shí)間進(jìn)行定時(shí)★數(shù)據(jù)加工

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理控制器運(yùn)算器5.1.1CPU的功能★指令控制★操作控制★時(shí)45.1.2CPU的基本組成

控制器:完成對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作的協(xié)調(diào)與指揮。

(1)取出一條指令，并指出下一條指令的地址；(2)指令譯碼，產(chǎn)生操作控制信號(hào)送往相應(yīng)的部件；(3)指揮并控制CPU、內(nèi)存與I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向

運(yùn)算器:是數(shù)據(jù)加工處理部件，所進(jìn)行的全部操作由控制器發(fā)出的控制信號(hào)指揮

。

(1)執(zhí)行所有的算術(shù)運(yùn)算；(2)執(zhí)行所有的邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試CPU由運(yùn)算器、cache和控制器三大部分組成。

5.1.2CPU的基本組成控制器:完成對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操5計(jì)算機(jī)組成原理第5章課件6暫時(shí)存放由內(nèi)存讀出或?qū)懭氲闹噶罨驍?shù)據(jù)字保存由算術(shù)和邏輯指令的結(jié)果建立的各種條件碼確定下一條指令的地址保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令對(duì)IR中的指令操作碼進(jìn)行譯碼分析控制數(shù)據(jù)通路、啟停部件操作保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址暫時(shí)存放由內(nèi)存讀出或?qū)懭氲闹噶罨驍?shù)據(jù)字保存由算術(shù)和邏輯指令的75.1.3CPU中的主要寄存器

數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR）暫時(shí)存放由內(nèi)存讀出或?qū)懭氲闹噶罨驍?shù)據(jù)字指令寄存器（IR）保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令程序計(jì)數(shù)器（PC）確定下一條指令的地址地址寄存器（AR）保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址通用寄存器（R0～R3）

狀態(tài)條件寄存器（PSW）保存由算術(shù)和邏輯指令的結(jié)果建立的各種條件碼5.1.3CPU中的主要寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR）8playplay95.1.4操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器

操作控制器：在各寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路。數(shù)據(jù)通路：寄存器之間傳送信息的通路。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)生各種操作控制信號(hào)，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，操作控制器可分為：

硬布線控制器微程序控制器時(shí)序產(chǎn)生器：產(chǎn)生計(jì)算機(jī)所需要的時(shí)序控制信號(hào)采用時(shí)序邏輯技術(shù)來實(shí)現(xiàn)

采用存儲(chǔ)邏輯來實(shí)現(xiàn)

5.1.4操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器操作控制器：在各寄存器之105.2

指令周期

5.2.1

指令周期的基本概念5.2.2

MOV指令的指令周期5.2.3

LAD指令的指令周期5.2.4

ADD指令的指令周期5.2.5

STO指令的指令周期5.2.6

JMP指令的指令周期5.2.7

用方框圖語言表示指令周期5.2

指令周期5.2.1

指令周期的基本概念115.2

指令周期指令的執(zhí)行過程取指令執(zhí)行指令開始5.2

指令周期指令的執(zhí)行過程取指令執(zhí)行指令開始125.2.1指令周期的基本概念

◆指令周期

:

CPU取出并執(zhí)行一條指令的時(shí)間。取指時(shí)間＋執(zhí)行指令時(shí)間◆CPU周期

:

CPU從內(nèi)存讀取一條指令字所需的最短時(shí)間，又稱機(jī)器周期（總線周期）?！魰r(shí)鐘周期

:

通常稱為節(jié)拍脈沖或T周期。一個(gè)CPU周期包含若干個(gè)T周期。（節(jié)拍的寬度取決于CPU完成一次基本的微操作的時(shí)間）

相互關(guān)系：

1個(gè)指令周期=若干個(gè)CPU周期

1個(gè)CPU周期=若干T周期

5.2.1指令周期的基本概念◆指令周期

:

取13101

MOVR0,R1；（R1）→R0102

LADR1,6；（6）→R1

103

ADDR1,R2；（R1）+（R2）→R2104

STOR2,(R3)；（R2）→(R3)105

JMP101；101→PC106ANDR1,R3……61005條典型指令構(gòu)成的簡(jiǎn)單程序101

MOVR0,R1；（R1）→145.2.2MOV指令的指令周期MOVR0,R15.2.2MOV指令的指令周期MOVR0,R115MOV指令的指令周期——取指

MOV指令的指令周期——取指16MOV指令的指令周期——執(zhí)行

playMOV指令的指令周期——執(zhí)行play175.2.3LAD指令的指令周期一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周期取指令階段執(zhí)行指令階段開始取指令PC+1對(duì)指令譯碼送操作數(shù)地址取下條指令PC+1取出操作數(shù)裝入通用寄存器一個(gè)CPU周期LADR1,65.2.3LAD指令的指令周期一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周18LAD指令的指令周期——執(zhí)行

playLAD指令的指令周期——執(zhí)行play195.2.4ADD指令的指令周期ADDR1,R25.2.4ADD指令的指令周期ADDR1,R220ADD指令的指令周期——執(zhí)行

playADD指令的指令周期——執(zhí)行play215.2.5STO指令的指令周期STOR2,(R3)5.2.5STO指令的指令周期STOR2,(R322playplay235.2.6

JMP指令的指令周期JMP1015.2.6

JMP指令的指令周期JMP10124計(jì)算機(jī)組成原理第5章課件25playplay265.2.7用方框圖語言表示指令周期

方框：代表一個(gè)CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制操作。

菱形：通常用來表示某種判別或測(cè)試。時(shí)間上依附于緊接的前面一個(gè)CPU周期，而不單獨(dú)占用一個(gè)CPU周期。play1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期公操作符號(hào)。表示一條指令已執(zhí)行完畢，CPU取下一條指令或處理外設(shè)請(qǐng)求。ABUS：地址總線DBUS：數(shù)據(jù)總線IBUS：指令總線5.2.7用方框圖語言表示指令周期方框：代表一個(gè)CPU周27【例1】下圖所示為雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路，IR為指令寄存器，PC為程序計(jì)數(shù)器(具有自增功能)，M為主存(受R/W信號(hào)控制)，AR為地址寄存器，DR為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，ALU由加、減控制信號(hào)決定完成何種操作，控制信號(hào)G控制的是一個(gè)門電路。另外，線上標(biāo)注有小圈表示有控制信號(hào)，例中yi表示y寄存器的輸入控制信號(hào)，R1o為寄存器R1的輸出控制信號(hào)，未標(biāo)字符的線為直通線，不受控制。(1)“ADDR2，R0”指令完成(R0)+(R2)→R0的功能，畫出其指令周期流程圖（設(shè)指令地址已放入PC中），并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。(2)“SUBR1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，畫出其指令期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。

【例1】下圖所示為雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路，IR為指令寄存器28PCo，G，ARiPC→ARM→DRDR→IRR2→YR0→XY+X→R0R/W=RDRo，G，IRiR2o，G，YiR0o，G，Xi+，G，R0i取指（1）加法“ADDR2，R0”PCo，G，ARiPC→ARM→DRDR→IRR3→YR1→XY－X→R3R/W=RDRo，G，IRiR3o，G，YiR1o，G，Xi－，G，R3i（2）減法“SUBR1，R3”PCo，G，ARiPC→ARM→DRDR→IRR2→YR0→295.3

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

5.3.1

時(shí)序信號(hào)的作用和體制5.3.2

時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器5.3.3

控制方式5.3

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式5.3.1

時(shí)序信號(hào)的作用30計(jì)算機(jī)組成原理第5章課件315.3

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

用二進(jìn)制碼表示的指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里，那么CPU是怎樣識(shí)別出它們是數(shù)據(jù)還是指令呢?

從時(shí)間上來說:◆

取指發(fā)生在指令周期的第一個(gè)CPU周期;◆取數(shù)發(fā)生在后面幾個(gè)CPU周期，即“執(zhí)行指令”階段。

從空間上來說:◆送指令寄存器IR—指令◆

送運(yùn)算器—數(shù)據(jù)。

[思考]5.3

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式用二進(jìn)制碼表示的325.3.1時(shí)序信號(hào)的作用和體制

計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，而時(shí)間標(biāo)志則用時(shí)序信號(hào)來體現(xiàn)。

主狀態(tài)周期（指令周期）：包含若干個(gè)節(jié)拍周期，可以用一個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間來表示。節(jié)拍電位（機(jī)器周期）：表示一個(gè)CPU周期的時(shí)間，包含若干個(gè)節(jié)拍脈沖。節(jié)拍脈沖（時(shí)鐘周期）：表示較小的時(shí)間單位?！粲膊季€控制器時(shí)序信號(hào)采用主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖三級(jí)體制。◆微程序控制器時(shí)序信號(hào)一般采用節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。5.3.1時(shí)序信號(hào)的作用和體制計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)33節(jié)拍脈沖節(jié)拍電位1主狀態(tài)周期節(jié)拍電位2主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖節(jié)拍電位1主狀態(tài)周期節(jié)拍電位2主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-34

IORQMREQRDWET1T2T3T4

IORQ°MREQ°RD°WE°T1°T2°T3°T4°MERQ’IORQ’RD’WR’Φ

▲

提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)

▲由石英晶體振蕩器組成產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列啟動(dòng)停機(jī)5.3.2時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器

啟?？刂七壿嫻?jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序譯碼邏輯環(huán)形脈沖發(fā)生器時(shí)鐘脈沖源微程序控制器的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器(節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖)譯碼產(chǎn)生原始的節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序信號(hào)控制節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序信號(hào)的發(fā)送。啟動(dòng)狀態(tài)，輸出CPU真正需要的節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序信號(hào)IORQMREQRDWE35CPU周期CPU周期節(jié)拍脈沖信號(hào)CPU周期CPU周期節(jié)拍脈沖信號(hào)36環(huán)形脈沖發(fā)生器節(jié)拍脈沖譯碼邏輯啟停控制邏輯環(huán)形脈沖發(fā)生器節(jié)拍脈沖譯碼邏輯啟?？刂七壿?7啟?？刂七壿?/p>

啟?？刂七壿?8功能表CQD邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器功能表RDSDQ11011000保持原狀態(tài)0110不定狀態(tài)RS觸發(fā)器S置位端R復(fù)位端S=1Q=1R=1Q=0功能表CQD邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器功能表RDSDQ39啟?？刂七壿?/p>

運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器Cr◆當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一定要從第1個(gè)節(jié)拍脈沖前沿開始工作。

◆停機(jī)時(shí)一定要在第4個(gè)節(jié)拍脈沖結(jié)束后關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器。play啟?？刂七壿嬤\(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器Cr◆當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一定405.3.3控制方式控制器的控制方式：控制不同操作序列時(shí)序信號(hào)的方法。1.同步控制方式

已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的CPU周期（機(jī)器周期）數(shù)和時(shí)鐘周期數(shù)都固定不變。2.異步控制方式

控制器發(fā)出某一操作控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成操作后發(fā)“回答”信號(hào)，再開始新的操作。3.聯(lián)合控制方式同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。(1)采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。(2)采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。(3)中央控制與局部控制結(jié)合。情況（1）：大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周期中，對(duì)某些時(shí)間難以確定的操作則以執(zhí)行“回答”信號(hào)作為本次操作的結(jié)束；情況（2）：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。5.3.3控制方式控制器的控制方式：控制不同操作序列時(shí)序415.4微程序控制器

利用軟件方法（微程序設(shè)計(jì)技術(shù)）來設(shè)計(jì)硬件微程序控制的基本思想：＊把操作控制信號(hào)編成“微指令”，存放到控制存儲(chǔ)器CM中。＊當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，逐條讀出微指令，產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號(hào)，啟停相應(yīng)部件。5.4微程序控制器利用軟件方法（微程序設(shè)計(jì)技術(shù)）來設(shè)計(jì)硬425.4微程序控制器5.4.1微程序控制原理5.4.2微程序設(shè)計(jì)技術(shù)5.4微程序控制器5.4.1微程序控制原理43控制器運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備(IO設(shè)備)1微命令和微操作

數(shù)字計(jì)算機(jī)可以分為：控制部件和執(zhí)行部件控制器IO設(shè)備主存運(yùn)算器+﹣WRReadyV控制線狀態(tài)線控制部件與執(zhí)行部件通過控制線和反饋信息進(jìn)行聯(lián)系。

微命令微操作微操作微操作1微命令和微操作數(shù)字計(jì)算機(jī)可以分為：控制部件和執(zhí)行部件控445.4.1微命令和微操作

▲微命令：控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令。▲微操作：執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作?！⒉僮骺煞譃橄嗳菪院拖喑庑詢煞N。在同時(shí)或同一個(gè)CPU周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微操作不能在同時(shí)或同一個(gè)CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作◆ALU的“+”、“﹣”、“M”（傳送）為互斥微操作?！敉ǔ＃挥胁煌考系奈⒉僮?，才可能相容！5.4.1微命令和微操作▲微命令：控制部件通過控制線向455.4.1微命令和微操作相斥性進(jìn)位觸發(fā)器多路開關(guān)的控制信號(hào)相斥性時(shí)鐘輸入相容性play5.4.1微命令和微操作相斥性進(jìn)位觸發(fā)器多路開關(guān)的控制信號(hào)462微指令和微程序

微指令：在一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。

微程序：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。

指令系統(tǒng)＝所有指令；指令＝微程序；微程序＝若干微指令；微指令＝一組微命令；微命令→微操作2微指令和微程序微指令：在一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定47微指令的格式＊發(fā)出控制全機(jī)工作的控制信號(hào)。＊每一位表示一個(gè)微命令。＊“1”—發(fā)出微命令；

“0”—不發(fā)出微命令。用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。判別測(cè)試標(biāo)志微命令信號(hào)都是節(jié)拍電位信號(hào)′′′微指令的格式＊發(fā)出控制全機(jī)工作的控制信號(hào)。＊每一位表示一個(gè)48微程序舉例——十進(jìn)制加法

在十進(jìn)制運(yùn)算時(shí),當(dāng)相加二數(shù)之和大于9時(shí),便產(chǎn)生進(jìn)位。而采用BCD碼后，當(dāng)相加的和數(shù)大于9時(shí)，結(jié)果不正確，必須加6修正后才能得出正確的結(jié)果。01010010010000000001001算法：先將和數(shù)加6，然后判別結(jié)果有無進(jìn)位：當(dāng)Cy＝1，結(jié)果不變；當(dāng)Cy＝0，結(jié)果減6。取指判別測(cè)試，修改微地址寄存器內(nèi)容a＋ba＋b＋6測(cè)試進(jìn)位標(biāo)志Cya＋b＋6－6第一條微指令的二進(jìn)制編碼：00000000000011111100000第二條微指令的二進(jìn)制編碼：第三條微指令的二進(jìn)制編碼：01000100110000000010000微程序舉例——十進(jìn)制加法在十進(jìn)制運(yùn)算時(shí),當(dāng)相加二數(shù)之和大49微程序控制器原理框圖

微程序控制器主要由控制存儲(chǔ)器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三大部分組成。

◆只讀存儲(chǔ)器◆存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序。◆控存的字長(zhǎng)=微指令字的長(zhǎng)度。決定將要訪問的下一條微指令的地址

保存一條微指令的操作控制字段和判別測(cè)試字段的信息

存放由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令信息。分為微地址寄存器和微命令寄存器兩部分。

通過判別測(cè)試字段P和執(zhí)行部件的“狀態(tài)條件”反饋信息，修改微地址寄存器的內(nèi)容

微程序控制器原理框圖微程序控制器主要由控制存儲(chǔ)器、微指令50CPU周期與微指令周期的關(guān)系

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

圖5.26CPU周期與微指令周期的關(guān)系T4T3T2T1微指令CPU周期與微指令周期的關(guān)系微指令周期=讀出微指令的51機(jī)器指令與微指令的關(guān)系

(1)一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序由若干條微指令序列組成。(2)從指令與微指令、程序與微程序、地址與微地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系看，前者與內(nèi)存有關(guān)，后者與控制存儲(chǔ)器有關(guān)。(3)每一個(gè)CPU周期對(duì)應(yīng)一條微指令。機(jī)器指令與微指令的關(guān)系(1)一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，52程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR指令寄存器IR微地址寄存器μAR微指令寄存器μIR主存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器CM微命令地址譯碼器地址譯碼機(jī)器指令級(jí)微指令級(jí)OP程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR指令寄存器IR微地535.4.2微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

1.微命令編碼—操作控制字段采用的表示方法直接表示法編碼表示法混合表示法＊操作控制字段的每一位代表一個(gè)微命令?。獌?yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀、微指令執(zhí)行速度快。＊缺點(diǎn)：控存容量需求大。＊n位，最多代表2n-1個(gè)微命令。＊優(yōu)點(diǎn)：縮短了微指令字的長(zhǎng)度。＊缺點(diǎn)：字段需譯碼，才得到微命令信號(hào)字段1字段2……P字段下地址譯碼…譯碼…譯碼…微命令微命令P1Pn直接表示和編碼表示相結(jié)合5.4.2微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

1.微命令編碼—操作控制字段采542微地址的形成方法計(jì)數(shù)器方式多路轉(zhuǎn)移方式＊微地址寄存器有計(jì)數(shù)器功能。＊順序執(zhí)行的微指令序列必須在控制存儲(chǔ)器的連續(xù)單元中。＊微指令的P字段中，某位為1，就要修改“下地址”字段，產(chǎn)生正確的下地址。＊P字段有n位，可產(chǎn)生2n路轉(zhuǎn)移。2微地址的形成方法計(jì)數(shù)器方式＊微地址寄存器有計(jì)數(shù)器功能553微指令格式水平型微指令垂直型微指令控制字段判別測(cè)試字段下地址字段＊全水平型微指令＊字段譯碼法水平型微指令＊直接和譯碼相混合的水平型微指令一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令的微指令在一條微指令中只有1-2個(gè)微操作命令，每條微指令功能簡(jiǎn)單類似機(jī)器指令的格式，例RR傳送型微指令：只包含1個(gè)簡(jiǎn)單操作或建立1條數(shù)據(jù)通路。微操作碼經(jīng)譯碼，得到微命令。000源寄存器編址目標(biāo)寄存器編址其他151312873203微指令格式水平型微指令控制字段判別測(cè)試字段下地址字段＊56水平型和垂直型微指令的比較水平型微指令的并行操作能力強(qiáng)、效率高、靈活性強(qiáng)。水平性微指令解釋機(jī)器指令的速度快。水平型微指令字長(zhǎng)，微程序短。水平型微指令與機(jī)器指令的格式差別大，必須深刻理解機(jī)器硬件實(shí)現(xiàn)，才能編出高效的微程序。垂直型微指令的特點(diǎn)與水平型相反！水平型和垂直型微指令的比較水平型微指令的并行操作能力強(qiáng)、效率575.5.4動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)用可擦除ROM做控存，微程序可修改。實(shí)現(xiàn)不同的指令集！這叫“仿真”另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。如果兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)差別很大，“仿真”并不總能行得通！5.5.4動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)用可擦除ROM做控存，微程序可修58微程序控制器

利用軟件方法（微程序設(shè)計(jì)技術(shù)）來設(shè)計(jì)硬件微程序控制的基本思想：＊把操作控制信號(hào)編成“微指令”，存放到控制存儲(chǔ)器CM中。＊當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，逐條讀出微指令，產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號(hào)，啟停相應(yīng)部件。微程序控制器利用軟件方法（微程序設(shè)計(jì)技術(shù)）來設(shè)計(jì)硬件595.6硬布線控制器電子計(jì)算機(jī)誕生后，控制器采用硬布線實(shí)現(xiàn)。基本思想：某一微操作控制信號(hào)是指令操作碼譯碼輸出、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)條件信號(hào)的邏輯函數(shù)，即用布爾代數(shù)寫出邏輯表達(dá)式，然后用門電路和觸發(fā)器等器件實(shí)現(xiàn)。

非常復(fù)雜！增加一條指令，需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)硬布線邏輯電路。5.6硬布線控制器電子計(jì)算機(jī)誕生后，控制器采用硬布線實(shí)現(xiàn)60硬布線控制器的結(jié)構(gòu)方框圖C=f(Im,Mi,Tk,Bj)

硬布線，需要很強(qiáng)的數(shù)理邏輯電路設(shè)計(jì)技術(shù)！圖5.31硬布線控制器結(jié)構(gòu)方框圖…………邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)來源有三個(gè)：(1)來自指令操碼譯碼器的輸出Im；(2)來自執(zhí)行部件的反饋信息Bj；(3)來自時(shí)序產(chǎn)生器的時(shí)序信號(hào)，包括節(jié)拍電位信號(hào)M和節(jié)拍脈沖信號(hào)T。硬布線控制器的結(jié)構(gòu)方框圖C=f(Im,Mi,Tk615.7流水CPU5.7.1并行處理技術(shù)5.7.2流水CPU的結(jié)構(gòu)5.7.3流水線中的主要問題5.7.4奔騰CPU5.7流水CPU5.7.1并行處理技術(shù)62并行性的兩種含義同時(shí)性兩個(gè)或多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生。并發(fā)性兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)段內(nèi)先后發(fā)生。事件1事件2事件1事件2△t并行性的兩種含義同時(shí)性事件1事件2事件1事件2△t63并行處理的三種形式時(shí)間并行空間并行時(shí)間并行+空間并行流水CPU是以時(shí)間并行性為原理構(gòu)造的處理器并行處理的三種形式時(shí)間并行流水CPU是以時(shí)間并行性為原理構(gòu)造64流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成多體交叉存儲(chǔ)器cache指令部件(指令I(lǐng)+k+1)(指令I(lǐng)+k)…(指令I(lǐng)+2)(指令I(lǐng)+1)執(zhí)行部件(指令I(lǐng))存儲(chǔ)系統(tǒng)流水CPU取指令指令譯碼計(jì)算操作數(shù)地址取操作數(shù)FIFO指令隊(duì)列運(yùn)算流水線用流水線實(shí)現(xiàn)用流水線實(shí)現(xiàn)流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成多體交叉存儲(chǔ)器cache指令部件(指令I(lǐng)65流水線的表示法——連接圖用方框表示過程段，箭頭表示段間數(shù)據(jù)傳送。以指令流水線為例，段間有緩沖寄存器，暫存前一段的結(jié)果；一個(gè)流水線由一系列串聯(lián)的過程段組成。S2S3S4S1IFIDEXWB入出流水線的表示法——連接圖用方框表示過程段，箭頭表示段間數(shù)據(jù)傳66非流水的指令流水線8時(shí)鐘后，完成2條指令。I1I2I1I2I1I2I1I2空間IFIDEXWB時(shí)間12345678時(shí)空?qǐng)D橫軸表示時(shí)間，縱軸表示空間。非流水的指令流水線8時(shí)鐘后，完成2條指令。I1I2I1I2I67標(biāo)量流水線假設(shè)連續(xù)5條指令進(jìn)入流水線I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5空間IFIDEXWB時(shí)間123456788時(shí)鐘后，完成5條指令。裝滿時(shí)間排空時(shí)間S2S3S4S1IFIDEXWB入出標(biāo)量流水線假設(shè)連續(xù)5條指令進(jìn)入流水線I1I2I3I4I5I168什么是超標(biāo)量流水處理器標(biāo)量指單個(gè)量；向量指一組標(biāo)量；只有一套指令流水線的CPU稱為標(biāo)量流水CPU；有多套指令流水線的CPU稱為超標(biāo)量流水CPU。超標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)是時(shí)間并行與空間并行的結(jié)合。什么是超標(biāo)量流水處理器標(biāo)量指單個(gè)量；69超標(biāo)量流水線CPU裝滿后，每個(gè)時(shí)鐘完成2條指令。I2I4I6I8I10空間IF1時(shí)間12345678I1I3I5I7I9IF2I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9ID1ID2EX1EX2WB1WB2play超標(biāo)量流水線CPU裝滿后，每個(gè)時(shí)鐘完成2條指令。I2I4I670不同層次的流水線算術(shù)流水線流水加法器、流水乘法器、流水浮點(diǎn)加法器。指令流水線包括“取指”、“譯碼”、“取操作數(shù)”、“執(zhí)行”、“寫回”等過程段。處理機(jī)流水線(宏流水線)出入CPU1CPU2CPUm程序1程序2程序m不同層次的流水線算術(shù)流水線出入CPU1CPU2CPUm程序1715.8.3流水線中的主要問題流水過程中通常會(huì)出現(xiàn)以下三種相關(guān)沖突，使流水線斷流。

資源相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)控制相關(guān)多條指令在同一CPU周期內(nèi)爭(zhēng)用同一個(gè)功能部件等待前面指令完成操作數(shù)的讀或?qū)憽Ｓ赊D(zhuǎn)移指令引起5.8.3流水線中的主要問題流水過程中通常會(huì)出現(xiàn)以下三種相72資源相關(guān)多條指令在同一CPU周期內(nèi)爭(zhēng)用同一個(gè)段。時(shí)鐘12345678I1IFIDEXMEMWBI2IFIDEXMEMWBI3IFIDEXMEMWBI4IFIDEXMEMWBI5IFIDEXMEMI1和I4同時(shí)訪存資源相關(guān)多條指令在同一CPU周期內(nèi)爭(zhēng)用同一個(gè)段。時(shí)鐘123473數(shù)據(jù)相關(guān)等待前面指令完成操作數(shù)的讀或?qū)?。ADDR1,R2,R3;(R2)﹢(R3)→R1SUBR4,R1,R5;(R1)﹣(R5)→R4ANDR6,R1,R7;(R1)∧(R7)→R6時(shí)鐘12345678ADDIFIDEXMEMWBSUBIFIDEXMEMWBANDIFIDEXMEMWBT3讀R1T4讀R1T5寫R1＊①寫R1之前，②讀R1，錯(cuò)?。賹慠1之前，③讀R1，錯(cuò)！數(shù)據(jù)相關(guān)等待前面指令完成操作數(shù)的讀或?qū)?。時(shí)鐘1234567874例4(1)：判斷下面兩條指令中的數(shù)據(jù)相關(guān)類型。ADDR1,R2,R3;(R2)﹢(R3)→R1SUBR4,R1,R5;(R1)﹣(R5)→R4正確：①寫R1，然后②讀R1。實(shí)際：②讀R1，然后①寫R1。這是寫后讀(RAW)相關(guān)。時(shí)鐘T5，寫時(shí)鐘T3，讀例4(1)：判斷下面兩條指令中的數(shù)據(jù)相關(guān)類型。時(shí)鐘T5，寫時(shí)75例4(2)：判斷下面兩條指令中的數(shù)據(jù)相關(guān)類型。STAM(x),R3;(R3)→M(x)ADDR3,R4,R5;(R4)﹢(R5)→R3正確：①讀R3，然后②寫R3。實(shí)際：②寫R3，然后①讀R3。這是讀后寫(WAR)相關(guān)。時(shí)鐘T5，寫時(shí)鐘T3，讀例4(2)：判斷下面兩條指令中的數(shù)據(jù)相關(guān)類型。時(shí)鐘T5，寫時(shí)76例4(3)：判斷下面兩條指令中的數(shù)據(jù)相關(guān)類型。MULR3,R1,R2;(R1)×(R2)→R3ADDR3,R4,R5;(R4)﹢(R5)→R3正確：①寫R3，然后②寫R3。實(shí)際：②寫R3，然后①寫R3。這是寫后寫(WAW)相關(guān)。乘法時(shí)間遠(yuǎn)比加法時(shí)間長(zhǎng)！例4(3)：判斷下面兩條指令中的數(shù)據(jù)相關(guān)類型。乘法時(shí)間遠(yuǎn)比加77控制相關(guān)緊跟轉(zhuǎn)移指令的后續(xù)指令要不要執(zhí)行？確定要轉(zhuǎn)移時(shí)，后面的一或多條指令已進(jìn)入流水線；若流水線為k段，轉(zhuǎn)移指令與后面的k-1條指令發(fā)生控制相關(guān)?？刂葡嚓P(guān)緊跟轉(zhuǎn)移指令的后續(xù)指令要不要執(zhí)行？78延遲轉(zhuǎn)移法如果轉(zhuǎn)移指令之后的指令最終要執(zhí)行，而且它們與轉(zhuǎn)移指令的結(jié)果無關(guān)，則允許它們繼續(xù)前進(jìn)。轉(zhuǎn)移指令S1S2S3S4S5S6S7S8輸入輸出b﹢5b﹢4b﹢3b﹢2b﹢1bb﹣1b﹣2轉(zhuǎn)移的目標(biāo)指令在b+5后送流水線延遲：不是時(shí)間延遲，而是指指令執(zhí)行順序上目標(biāo)指令被推延了。延遲轉(zhuǎn)移法如果轉(zhuǎn)移指令之后的指令最終要執(zhí)行，而且它們與轉(zhuǎn)移指79轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法設(shè)置兩個(gè)指令隊(duì)列(指令cache)。一個(gè)是轉(zhuǎn)移不成功時(shí)順序預(yù)取指令的隊(duì)列；一個(gè)是轉(zhuǎn)移成功時(shí)從目標(biāo)地址預(yù)取指令的隊(duì)列。當(dāng)能確定轉(zhuǎn)移方向時(shí)，直接從相應(yīng)隊(duì)列中取指令。轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法設(shè)置兩個(gè)指令隊(duì)列(指令cache)。80………………從L開始取指令到AIB，等待ALU送CC判CCAIBIBL：L+1：k：k+1：成功IBM370/165中的雙指令隊(duì)列………………從L開始取指令判CCAIBIBL：L+1：k：k815.8RISCCPU第一臺(tái)RISC計(jì)算機(jī)于1981年在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校問世。RISC機(jī)器的三個(gè)基本要素是：①一個(gè)有限的簡(jiǎn)單指令集；②CPU配備大量的通用寄存器；③強(qiáng)調(diào)指令流水線的優(yōu)化。

RISC的目標(biāo)不是簡(jiǎn)單的縮減指令系統(tǒng)，而是使處理器的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更合理、具有更高的性能和執(zhí)行效率，并降低處理器的開發(fā)成本。5.8RISCCPU第一臺(tái)RISC計(jì)算機(jī)于1981年在82RISC機(jī)器的特點(diǎn)使用等長(zhǎng)指令。尋址方式少且簡(jiǎn)單，一般為2~3種，絕不出現(xiàn)存儲(chǔ)器間接尋址方式。只有取數(shù)、存數(shù)指令訪問存儲(chǔ)器。指令中最多出現(xiàn)RS型指令，絕不出現(xiàn)SS型指令。指令集中的指令數(shù)目一般少于100種，指令格式一般少于4種。指令功能簡(jiǎn)單，控制器多采用硬布線控制器。平均而言，所有指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期。CPU中的寄存器數(shù)較多。支持指令流水并強(qiáng)調(diào)指令流水的優(yōu)化使用。RISC機(jī)器的特點(diǎn)使用等長(zhǎng)指令。83本章小結(jié)

CPU是計(jì)算機(jī)的中央處理部件，具有指令控制、操作控制、時(shí)間控制、數(shù)據(jù)加工等基本功能。早期的CPU由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成。隨著高密度集成電路技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今的CPU芯片變成運(yùn)算器、cache和控制器三大部分。CPU至少要有如下六類寄存器：指令寄存器IR、程序計(jì)數(shù)器PC、地址寄存器AR、緩沖寄存器DR、通用寄存器、狀態(tài)條件寄存器PSW。CPU從存儲(chǔ)器取出一條指令并執(zhí)行這條指令的時(shí)間和稱為指令周期。由于各種指令的操作功能不同，各種指令的指令周期是不盡相同的。劃分指令周期，是設(shè)計(jì)操作控制器的重要依據(jù)。時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器提供CPU周期(也稱機(jī)器周期)所需的時(shí)序信號(hào)。微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是利用軟件方法設(shè)計(jì)操作控制器的一門技術(shù)，具有規(guī)整性、靈活性、可維護(hù)性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，并取代了早期采用的硬布線控制器設(shè)計(jì)技術(shù)。本章小結(jié)CPU是計(jì)算機(jī)的中央處理部件，具有指令控制、操作84本章小結(jié)隨著硬件技術(shù)的發(fā)展和對(duì)機(jī)器速度的要求，硬布線邏輯設(shè)計(jì)思想又得到了重視。硬布線控制器的基本思想是：某一微操作控制信號(hào)是指令操作碼譯碼輸出、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)條件信號(hào)的邏輯函數(shù)，即用布爾代數(shù)寫出邏輯表達(dá)式，然后用門電路和觸發(fā)器等器件實(shí)現(xiàn)。不論微型機(jī)還是超級(jí)計(jì)算機(jī)，并行處理技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的主流。并行處理技術(shù)可貫穿于信息加工的各個(gè)步驟和階段。概括起來，主要有三種形式：①時(shí)間并行；②空間并行；③時(shí)間并行+空間并行。流水CPU是以時(shí)間并行性為原理構(gòu)造的處理機(jī)，是一種非常經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的并行技術(shù)。目前的高性能微處理機(jī)幾乎無一例外地使用了流水技術(shù)。流水技術(shù)中的主要問題是資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)，為此需要采取相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策，才能保證流水線暢通而不斷流。

本章小結(jié)隨著硬件技術(shù)的發(fā)展和對(duì)機(jī)器速度的要求，硬布線邏輯設(shè)計(jì)85CPU結(jié)構(gòu)如圖所示，其中一個(gè)累加寄存器AC，一個(gè)狀態(tài)條件寄存器和其它四個(gè)寄存器，各部分之間的連線表示數(shù)據(jù)通路，箭頭表示信息傳送方向。要求：（1）標(biāo)明圖中四個(gè)寄存器的名稱。（2）簡(jiǎn)述指令取指到操作控制器的數(shù)據(jù)通路。

PCDRIRAR▲取指階段的數(shù)據(jù)通路：PC→AR→主存→緩沖寄存器DR→指令寄存器IR→操作控制器CPU結(jié)構(gòu)如圖所示，其中一個(gè)累加寄存器AC，一個(gè)狀態(tài)條件寄存86指令流水線有“取指”IF、“譯碼”ID、“執(zhí)行”EX、“訪存”MEM、“寫回寄存器堆”WB五個(gè)過程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。（1）畫出流水處理的時(shí)空?qǐng)D，假設(shè)時(shí)鐘周期為100ns。（2）求流水線的實(shí)際吞吐率（單位時(shí)間里執(zhí)行完畢的指令數(shù)）。（3）求流水線的加速比。解：（1）空間I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5IFIDEXWB時(shí)間12345678I1I2I3I4I52020202019202120……9MEM20條指令采用流水線總用時(shí)24T=2400ns（2）吞吐率=20/2400ns=8.33×106條/s（3）加速比=非流水用時(shí)/流水用時(shí)=20×500ns/2400ns=4.17指令流水線有“取指”IF、“譯碼”ID、“執(zhí)行”EX、“訪存87例：運(yùn)算器及其微控制信號(hào)如右圖ALUSASB16位SB→ALUSB→ALU4個(gè)通用寄存器16位LDSALDSBRWRA0RA1WA0WA1Reset16位讀控制寫控制RRA0RA1選擇WWA0WA1選擇100R0100R0101R1101R1110R2110R2111R3111R30××不讀出0××不寫入讀寫控制功能寫選擇讀選擇例：運(yùn)算器及其微控制信號(hào)如右圖ALUSASB16位SB→AL88例(續(xù))：微指令格式RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB→ALUSB→ALUReset01234567891011SA打入信號(hào)SB清零信號(hào)轉(zhuǎn)公操作信號(hào)SB打入信號(hào)ALUSASB16位SB→ALUSB→ALU4個(gè)通用寄存器16位LDSALDSBRWRA0RA1WA0WA1Reset16位例(續(xù))：微指令格式RA0RA1WA0WA1RWL89解：ADD、SUB和MOV的指令周期流程圖取指令R3→SAR2→SBSA﹣SB→R3R0→SAR1→SBSA+SB→R1R2→SA0→SBSA+SB→R3MOVSUBADDMOVR2,R3SUBR2,R3ADDR0,R178456123ALUSASB16位SB→ALUSB→ALU4個(gè)通用寄存器16位LDSALDSBRWRA0RA1WA0WA1Reset16位RA0RA1WA0WA1RWLDSALDSBSB→ALUSB→ALUReset01234567891011指令的微程序？解：ADD、SUB和MOV的指令周期流程圖取指令R3→90微指令的代碼指令微程序代碼ADD1.00xx101000002.01xx100100003.xx0101001001SUB4.11xx101000005.10xx100100006.xx1101000101MOV7.10xx101000008.xx1101001011微指令的代碼指令微程序代碼ADD1.00xx191第五章

中央處理器

第五章

中央處理92計(jì)算機(jī)組成原理第5章中央處理器

5.1CPU的組成和功能 5.7流水CPU5.2

指令周期 5.8RISCCPU5.3時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 5.9多媒體CPU5.4微程序控制器5.5硬連線線控制器5.6傳統(tǒng)CPU☆☆☆☆☆☆☆計(jì)算機(jī)組成原理第5章中央處理器5.1CPU的組成和功能935.1CPU的功能和組成5.1.1CPU的功能5.1.2CPU的基本組成5.1.3CPU中的主要寄存器5.1.4操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器中央處理器是控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成取出指令和執(zhí)行指令任務(wù)的部件。它是計(jì)算機(jī)的核心部件，通常簡(jiǎn)稱為CPU（CentralProcessingUnit）5.1CPU的功能和組成5.1.1CPU的功能945.1.1CPU的功能

★指令控制

保證機(jī)器按程序規(guī)定的順序取出執(zhí)行★操作控制

CPU產(chǎn)生每條指令對(duì)應(yīng)的操作信號(hào)，并把操作信號(hào)送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作★時(shí)間控制

對(duì)各種操作的實(shí)施時(shí)間進(jìn)行定時(shí)★數(shù)據(jù)加工

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理控制器運(yùn)算器5.1.1CPU的功能★指令控制★操作控制★時(shí)955.1.2CPU的基本組成

控制器:完成對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作的協(xié)調(diào)與指揮。

(1)取出一條指令，并指出下一條指令的地址；(2)指令譯碼，產(chǎn)生操作控制信號(hào)送往相應(yīng)的部件；(3)指揮并控制CPU、內(nèi)存與I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向

運(yùn)算器:是數(shù)據(jù)加工處理部件，所進(jìn)行的全部操作由控制器發(fā)出的控制信號(hào)指揮

。

(1)執(zhí)行所有的算術(shù)運(yùn)算；(2)執(zhí)行所有的邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試CPU由運(yùn)算器、cache和控制器三大部分組成。

5.1.2CPU的基本組成控制器:完成對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操96計(jì)算機(jī)組成原理第5章課件97暫時(shí)存放由內(nèi)存讀出或?qū)懭氲闹噶罨驍?shù)據(jù)字保存由算術(shù)和邏輯指令的結(jié)果建立的各種條件碼確定下一條指令的地址保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令對(duì)IR中的指令操作碼進(jìn)行譯碼分析控制數(shù)據(jù)通路、啟停部件操作保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址暫時(shí)存放由內(nèi)存讀出或?qū)懭氲闹噶罨驍?shù)據(jù)字保存由算術(shù)和邏輯指令的985.1.3CPU中的主要寄存器

數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR）暫時(shí)存放由內(nèi)存讀出或?qū)懭氲闹噶罨驍?shù)據(jù)字指令寄存器（IR）保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令程序計(jì)數(shù)器（PC）確定下一條指令的地址地址寄存器（AR）保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址通用寄存器（R0～R3）

狀態(tài)條件寄存器（PSW）保存由算術(shù)和邏輯指令的結(jié)果建立的各種條件碼5.1.3CPU中的主要寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR）99playplay1005.1.4操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器

操作控制器：在各寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路。數(shù)據(jù)通路：寄存器之間傳送信息的通路。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)生各種操作控制信號(hào)，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，操作控制器可分為：

硬布線控制器微程序控制器時(shí)序產(chǎn)生器：產(chǎn)生計(jì)算機(jī)所需要的時(shí)序控制信號(hào)采用時(shí)序邏輯技術(shù)來實(shí)現(xiàn)

采用存儲(chǔ)邏輯來實(shí)現(xiàn)

5.1.4操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器操作控制器：在各寄存器之1015.2

指令周期

5.2.1

指令周期的基本概念5.2.2

MOV指令的指令周期5.2.3

LAD指令的指令周期5.2.4

ADD指令的指令周期5.2.5

STO指令的指令周期5.2.6

JMP指令的指令周期5.2.7

用方框圖語言表示指令周期5.2

指令周期5.2.1

指令周期的基本概念1025.2

指令周期指令的執(zhí)行過程取指令執(zhí)行指令開始5.2

指令周期指令的執(zhí)行過程取指令執(zhí)行指令開始1035.2.1指令周期的基本概念

◆指令周期

:

CPU取出并執(zhí)行一條指令的時(shí)間。取指時(shí)間＋執(zhí)行指令時(shí)間◆CPU周期

:

CPU從內(nèi)存讀取一條指令字所需的最短時(shí)間，又稱機(jī)器周期（總線周期）。◆時(shí)鐘周期

:

通常稱為節(jié)拍脈沖或T周期。一個(gè)CPU周期包含若干個(gè)T周期。（節(jié)拍的寬度取決于CPU完成一次基本的微操作的時(shí)間）

相互關(guān)系：

1個(gè)指令周期=若干個(gè)CPU周期

1個(gè)CPU周期=若干T周期

5.2.1指令周期的基本概念◆指令周期

:

取104101

MOVR0,R1；（R1）→R0102

LADR1,6；（6）→R1

103

ADDR1,R2；（R1）+（R2）→R2104

STOR2,(R3)；（R2）→(R3)105

JMP101；101→PC106ANDR1,R3……61005條典型指令構(gòu)成的簡(jiǎn)單程序101

MOVR0,R1；（R1）→1055.2.2MOV指令的指令周期MOVR0,R15.2.2MOV指令的指令周期MOVR0,R1106MOV指令的指令周期——取指

MOV指令的指令周期——取指107MOV指令的指令周期——執(zhí)行

playMOV指令的指令周期——執(zhí)行play1085.2.3LAD指令的指令周期一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周期取指令階段執(zhí)行指令階段開始取指令PC+1對(duì)指令譯碼送操作數(shù)地址取下條指令PC+1取出操作數(shù)裝入通用寄存器一個(gè)CPU周期LADR1,65.2.3LAD指令的指令周期一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周109LAD指令的指令周期——執(zhí)行

playLAD指令的指令周期——執(zhí)行play1105.2.4ADD指令的指令周期ADDR1,R25.2.4ADD指令的指令周期ADDR1,R2111ADD指令的指令周期——執(zhí)行

playADD指令的指令周期——執(zhí)行play1125.2.5STO指令的指令周期STOR2,(R3)5.2.5STO指令的指令周期STOR2,(R3113playplay1145.2.6

JMP指令的指令周期JMP1015.2.6

JMP指令的指令周期JMP101115計(jì)算機(jī)組成原理第5章課件116playplay1175.2.7用方框圖語言表示指令周期

方框：代表一個(gè)CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制操作。

菱形：通常用來表示某種判別或測(cè)試。時(shí)間上依附于緊接的前面一個(gè)CPU周期，而不單獨(dú)占用一個(gè)CPU周期。play1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期1個(gè)CPU周期公操作符號(hào)。表示一條指令已執(zhí)行完畢，CPU取下一條指令或處理外設(shè)請(qǐng)求。ABUS：地址總線DBUS：數(shù)據(jù)總線IBUS：指令總線5.2.7用方框圖語言表示指令周期方框：代表一個(gè)CPU周118【例1】下圖所示為雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路，IR為指令寄存器，PC為程序計(jì)數(shù)器(具有自增功能)，M為主存(受R/W信號(hào)控制)，AR為地址寄存器，DR為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，ALU由加、減控制信號(hào)決定完成何種操作，控制信號(hào)G控制的是一個(gè)門電路。另外，線上標(biāo)注有小圈表示有控制信號(hào)，例中yi表示y寄存器的輸入控制信號(hào)，R1o為寄存器R1的輸出控制信號(hào)，未標(biāo)字符的線為直通線，不受控制。(1)“ADDR2，R0”指令完成(R0)+(R2)→R0的功能，畫出其指令周期流程圖（設(shè)指令地址已放入PC中），并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。(2)“SUBR1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，畫出其指令期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。

【例1】下圖所示為雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路，IR為指令寄存器119PCo，G，ARiPC→ARM→DRDR→IRR2→YR0→XY+X→R0R/W=RDRo，G，IRiR2o，G，YiR0o，G，Xi+，G，R0i取指（1）加法“ADDR2，R0”PCo，G，ARiPC→ARM→DRDR→IRR3→YR1→XY－X→R3R/W=RDRo，G，IRiR3o，G，YiR1o，G，Xi－，G，R3i（2）減法“SUBR1，R3”PCo，G，ARiPC→ARM→DRDR→IRR2→YR0→1205.3

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

5.3.1

時(shí)序信號(hào)的作用和體制5.3.2

時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器5.3.3

控制方式5.3

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式5.3.1

時(shí)序信號(hào)的作用121計(jì)算機(jī)組成原理第5章課件1225.3

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

用二進(jìn)制碼表示的指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里，那么CPU是怎樣識(shí)別出它們是數(shù)據(jù)還是指令呢?

從時(shí)間上來說:◆

取指發(fā)生在指令周期的第一個(gè)CPU周期;◆取數(shù)發(fā)生在后面幾個(gè)CPU周期，即“執(zhí)行指令”階段。

從空間上來說:◆送指令寄存器IR—指令◆

送運(yùn)算器—數(shù)據(jù)。

[思考]5.3

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式用二進(jìn)制碼表示的1235.3.1時(shí)序信號(hào)的作用和體制

計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，而時(shí)間標(biāo)志則用時(shí)序信號(hào)來體現(xiàn)。

主狀態(tài)周期（指令周期）：包含若干個(gè)節(jié)拍周期，可以用一個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間來表示。節(jié)拍電位（機(jī)器周期）：表示一個(gè)CPU周期的時(shí)間，包含若干個(gè)節(jié)拍脈沖。節(jié)拍脈沖（時(shí)鐘周期）：表示較小的時(shí)間單位。◆硬布線控制器時(shí)序信號(hào)采用主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖三級(jí)體制?！粑⒊绦蚩刂破鲿r(shí)序信號(hào)一般采用節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。5.3.1時(shí)序信號(hào)的作用和體制計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)124節(jié)拍脈沖節(jié)拍電位1主狀態(tài)周期節(jié)拍電位2主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖節(jié)拍電位1主狀態(tài)周期節(jié)拍電位2主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-125

IORQMREQRDWET1T2T3T4

IORQ°MREQ°RD°WE°T1°T2°T3°T4°MERQ’IORQ’RD’WR’Φ

▲

提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)

▲由石英晶體振蕩器組成產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列啟動(dòng)停機(jī)5.3.2時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器

啟?？刂七壿嫻?jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序譯碼邏輯環(huán)形脈沖發(fā)生器時(shí)鐘脈沖源微程序控制器的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器(節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖)譯碼產(chǎn)生原始的節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序信號(hào)控制節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序信號(hào)的發(fā)送。啟動(dòng)狀態(tài)，輸出CPU真正需要的節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序信號(hào)IORQMREQRDWE126CPU周期CPU周期節(jié)拍脈沖信號(hào)CPU周期CPU周期節(jié)拍脈沖信號(hào)127環(huán)形脈沖發(fā)生器節(jié)拍脈沖譯碼邏輯啟?？刂七壿嫮h(huán)形脈沖發(fā)生器節(jié)拍脈沖譯碼邏輯啟?？刂七壿?28啟停控制邏輯

啟?？刂七壿?29功能表CQD邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器功能表RDSDQ11011000保持原狀態(tài)0110不定狀態(tài)RS觸發(fā)器S置位端R復(fù)位端S=1Q=1R=1Q=0功能表CQD邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器功能表RDSDQ130啟?？刂七壿?/p>

運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器Cr◆當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一定要從第1個(gè)節(jié)拍脈沖前沿開始工作。

◆停機(jī)時(shí)一定要在第4個(gè)節(jié)拍脈沖結(jié)束后關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器。play啟?？刂七壿嬤\(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器Cr◆當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一定1315.3.3控制方式控制器的控制方式：控制不同操作序列時(shí)序信號(hào)的方法。1.同步控制方式

已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的CPU周期（機(jī)器周期）數(shù)和時(shí)鐘周期數(shù)都固定不變。2.異步控制方式

控制器發(fā)出某一操作控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成操作后發(fā)“回答”信號(hào)，再開始新的操作。3.聯(lián)合控制方式同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。(1)采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。(2)采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。(3)中央控制與局部控制結(jié)合。情況（1）：大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周期中，對(duì)某些時(shí)間難以確定的操作則以執(zhí)行“回答”信號(hào)作為本次操作的結(jié)束；情況（2）：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。5.3.3控制方式控制器的控制方式：控制不同操作序列時(shí)序1325.4微程序控制器

利用軟件方法（微程序設(shè)計(jì)技術(shù)）來設(shè)計(jì)硬件微程序控制的基本思想：＊把操作控制信號(hào)編成“微指令”，存放到控制存儲(chǔ)器CM中。＊當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，逐條讀出微指令，產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號(hào)，啟停相應(yīng)部件。5.4微程序控制器利用軟件方法（微程序設(shè)計(jì)技術(shù)）來設(shè)計(jì)硬1335.4微程序控制器5.4.1微程序控制原理5.4.2微程序設(shè)計(jì)技術(shù)5.4微程序控制器5.4.1微程序控制原理134控制器運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備(IO設(shè)備)1微命令和微操作

數(shù)字計(jì)算機(jī)可以分為：控制部件和執(zhí)行部件控制器IO設(shè)備主存運(yùn)算器+﹣WRReadyV控制線狀態(tài)線控制部件與執(zhí)行部件通過控制線和反饋信息進(jìn)行聯(lián)系。

微命令微操作微操作微操作1微命令和微操作數(shù)字計(jì)算機(jī)可以分為：控制部件和執(zhí)行部件控1355.4.1微命令和微操作

▲微命令：控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令。▲微操作：執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作。▲微操作可分為相容性和相斥性兩種。在同時(shí)或同一個(gè)CPU周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微操作不能在同時(shí)或同一個(gè)CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作◆ALU的“+”、“﹣”、“M”（傳送）為互斥微操作?！敉ǔ?，只有不同部件上的微操作，才可能相容！5.4.1微命令和微操作▲微命令：控制部件通過控制線向1365.4.1微命令和微操作相斥性進(jìn)位觸發(fā)器多路開關(guān)的控制信號(hào)相斥性時(shí)鐘輸入相容性play5.4.1微命令和微操作相斥性進(jìn)位觸發(fā)器多路開關(guān)的控制信號(hào)1372微指令和微程序

微指令：在一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。

微程序：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。

指令系統(tǒng)＝所有指令；指令＝微程序；微程序＝若干微指令；微指令＝一組微命令；微命令→微操作2微指令和微程序微指令：在一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定138微指令的格式＊發(fā)出控制全機(jī)工作的控制信號(hào)。＊每一位表示一個(gè)微命令。＊“1”—發(fā)出微命令；

“0”—不發(fā)出微命令。用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。判別測(cè)試標(biāo)志微命令信號(hào)都是節(jié)拍電位信號(hào)′′′微指令的格式＊發(fā)出控制全機(jī)工作的控制信號(hào)。＊每一位表示一個(gè)139微程序舉例——十進(jìn)制加法

在十進(jìn)制運(yùn)算時(shí),當(dāng)相加二數(shù)之和大于9時(shí),便產(chǎn)生進(jìn)位。而采用BCD碼后，當(dāng)相加的和數(shù)大于9時(shí)，結(jié)果不正確，必須加6修正后才能得出正確的結(jié)果。01010010010000000001001算法：先將和數(shù)加6，然后判別結(jié)果有無進(jìn)位：當(dāng)Cy＝1，結(jié)果不變；當(dāng)Cy＝0，結(jié)果減6。取指判別測(cè)試，修改微地址寄存器內(nèi)容a＋ba＋b＋6測(cè)試進(jìn)位標(biāo)志Cya＋b＋6－6第一條微指令的二進(jìn)制編碼：00000000000011111100000第二條微指令的二進(jìn)制編碼：第三條微指令的二進(jìn)制編碼：01000100110000000010000微程序舉例——十進(jìn)制加法在十進(jìn)制運(yùn)算時(shí),當(dāng)相加二數(shù)之和大140微程序控制器原理框圖

微程序控制器主要由控制存儲(chǔ)器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三大部分組成。

◆只讀存儲(chǔ)器◆存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序?！艨卮娴淖珠L(zhǎng)=微指令字的長(zhǎng)度。決定將要訪問的下一條微指令的地址

保存一條微指令的操作控制字段和判別測(cè)試字段的信息

存放由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令信息。分為微地址寄存器和微命令寄存器兩部分。

通過判別測(cè)試字段P和執(zhí)行部件的“狀態(tài)條件”反饋信息，修改微地址寄存器的內(nèi)容

微程序控制器原理框圖微程序控制器主要由控制存儲(chǔ)器、微指令141CPU周期與微指令周期的關(guān)系

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

圖5.26CPU周期與微指令周期的關(guān)系T4T3T2T1微指令CPU周期與微指令周期的關(guān)系微指令周期=讀出微指令的142機(jī)器指令與微指令的關(guān)系

(1)一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序由若干條微指令序列組成。(2)從指令與微指令、程序與微程序、地址與微地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系看，前者與內(nèi)存有關(guān)，后者與控制存儲(chǔ)器有關(guān)。(3)每一個(gè)CPU周期對(duì)應(yīng)一條微指令。機(jī)器指令與微指令的關(guān)系(1)一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，143程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR指令寄存器IR微地址寄存器μAR微指令寄存器μIR主存儲(chǔ)器控制存儲(chǔ)器CM微命令地址譯碼器地址譯碼機(jī)器指令級(jí)微指令級(jí)OP程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR緩沖寄存器DR指令寄存器IR微地1445.4.2微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

1.微命令編碼—操作控制字段采用的表示方法直接表示法編碼表示法混合表示法＊操作控制字段的每一位代表一個(gè)微命令?。獌?yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀、微指令執(zhí)行速度快。＊缺點(diǎn)：控存容量需求大。＊n位，最多代表2n-1個(gè)微命令。＊優(yōu)點(diǎn)：縮短了微指令字的長(zhǎng)度。＊缺點(diǎn)：字段需譯碼，才得到微命令信號(hào)字段1字段2……P字段下地址譯碼…譯碼…譯碼…微命令微命令P1Pn直接表示和編碼表示相結(jié)合5.4.2微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

1.微命令編碼—操作控制字段采1452微地址的形成方法計(jì)數(shù)器方式多路轉(zhuǎn)移方式＊微地址寄存器有計(jì)數(shù)器功能。＊順序執(zhí)行的微指令序列必須在控制存儲(chǔ)器的連續(xù)單元中。＊微指令的P字段中，某位為1，就要修改“下地址”字段，產(chǎn)生正確的下地址。＊P字段有n位，可產(chǎn)生2n路轉(zhuǎn)移。2微地址的形成方法計(jì)數(shù)器方式＊微地址寄存器有計(jì)數(shù)器功能1463微指令格式水平型微指令垂直型微指令控制字段判別測(cè)試字段下地址字段＊全水平型微指令＊字段譯碼法水平型微指令＊直接和譯碼相混合的水平型微指令一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令的微指令在一條微指令中只有1-2個(gè)微操作命令，每條微指令功能簡(jiǎn)單類似機(jī)器指令的格式，例RR傳送型微指令：只包含1個(gè)簡(jiǎn)單操作或建立1條數(shù)據(jù)通路。微操作碼經(jīng)譯碼，得到微命令。000源寄存器編址目標(biāo)寄存器編址其他151312873203微指令格式水平型微指令控制字段判別測(cè)試字段下地址字段＊147水平型和垂直型微指令的比較水平型微指令的并行操作能力強(qiáng)、效率高、靈活性強(qiáng)。水平性微指令解釋機(jī)器指令的速度快。水平型微指令字長(zhǎng)，微程序短。水平型微指令與機(jī)器指令的格式差別大，必須深刻理解機(jī)器硬件實(shí)現(xiàn)，才能編出高效的微程序。垂直型微指令的特點(diǎn)與水平型相反！水平型和垂直型微指令的比較水平型微指令的并行操作能力強(qiáng)、效率1485.5.4動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)用可擦除ROM做控存，微程序可修改。實(shí)現(xiàn)不同的指令集！這叫“仿真”另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。如果兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)差別很大，“仿真”并不總能行得通！5.5.4動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)用可擦除ROM做控存，微程序可修149微程序控制器

利用軟件方法（微程序設(shè)計(jì)技術(shù)）來設(shè)計(jì)硬件微程序控制的基本思想：＊把操作控制信號(hào)編成“微指令”，存放到控制存儲(chǔ)器CM中。＊當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，逐條讀出微指令，產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號(hào)，啟停相應(yīng)部件。微程序控制器利用軟件方法（微程序設(shè)計(jì)技術(shù)）來設(shè)計(jì)硬件1505.6硬布線控制器電子計(jì)算機(jī)誕生后，控制器采用硬布線實(shí)現(xiàn)?；舅枷耄耗骋晃⒉僮骺刂菩盘?hào)是指令操作碼譯碼輸出、時(shí)序信號(hào)和狀態(tài)條件信號(hào)的邏輯函數(shù)，即用布爾代數(shù)寫出邏輯表達(dá)式，然后用門電路和觸發(fā)器等器件實(shí)現(xiàn)。

非常復(fù)雜！增加一條指令，需要重新設(shè)計(jì)整個(gè)硬布線邏輯電路。5.6硬布線控制器電子計(jì)算機(jī)誕生后，控制器采用硬布線實(shí)現(xiàn)151硬布線控制器的結(jié)構(gòu)方框圖C=f(Im,Mi,Tk,Bj)

硬布線，需要很強(qiáng)的數(shù)理邏輯電路設(shè)計(jì)技術(shù)！圖5.31硬布線控制器結(jié)構(gòu)方框圖…………邏輯網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)來源有三個(gè)：(1)來自指令操碼譯碼器的輸出Im；(2)來自執(zhí)行部件的反饋信息Bj；(3)來自時(shí)序產(chǎn)生器的時(shí)序信號(hào)，包括節(jié)拍電位信號(hào)M和節(jié)拍脈沖信號(hào)T。硬布線控制器的結(jié)構(gòu)方框圖C=f(Im,Mi,Tk1525.7流水CPU5.7.1并行處理技術(shù)5.7.2流水CPU的結(jié)構(gòu)5.7.3流水線中的主要問題5.7.4奔騰CPU5.7流水CPU5.7.1并行處理技術(shù)153并行性的兩種含義同時(shí)性兩個(gè)或多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生。并發(fā)性兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)段內(nèi)先后發(fā)生。事件1事件2事件1事件2△t并行性的兩種含義同時(shí)性事件1事件2事件1事件2△t154并行處理的三種形式時(shí)間并行空間并行時(shí)間并行+空間并行流水CPU是以時(shí)間并行性為原理構(gòu)造的處理器并行處理的三種形式時(shí)間并行流水CPU是以時(shí)間并行性為原理構(gòu)造155流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成多體交叉存儲(chǔ)器cache指令部件(指令I(lǐng)+k+1)(指令I(lǐng)+k)…(指令I(lǐng)+2)(指令I(lǐng)+1)執(zhí)行部件(指令I(lǐng))存儲(chǔ)系統(tǒng)流水CPU取指令指令譯碼計(jì)算操作數(shù)地址取操作數(shù)FIFO指令隊(duì)列運(yùn)算流水線用流水線實(shí)現(xiàn)用流水線實(shí)現(xiàn)流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成多體交叉存儲(chǔ)器cache指令部件(指令I(lǐng)156流水線的表示法——連接圖用方框表示過程段，箭頭表示段間數(shù)據(jù)傳送。以指令流水線為例，段間有緩沖寄存器，暫存前一段的結(jié)果；一個(gè)流水線由一系列串聯(lián)的過程段組成。S2S3S4S1IFIDEXWB入出流水線的表示法——連接圖用方框表示過程段，箭頭表示段間數(shù)據(jù)傳157非流水的指令流水線8時(shí)鐘后，完成2條指令。I1I2I1I2I1I2I1I2空間IFIDEXWB時(shí)間12345678時(shí)空?qǐng)D橫軸表示時(shí)間，縱軸表示空間。非流水的指令流水線8時(shí)鐘后，完成2條指令。I1I2I1I2I158標(biāo)量流水線假設(shè)連續(xù)5條指令進(jìn)入流水線I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5空間IFIDEXWB時(shí)間123456788時(shí)鐘后，完成5條指令。裝滿時(shí)間排空時(shí)間S2S3S4S1IFIDEXWB入出標(biāo)量流水線假設(shè)連續(xù)5條指令進(jìn)入流水線I1I2I3I4I5I1159什么是超標(biāo)量流水處理器標(biāo)量指單個(gè)量；向量指一組標(biāo)量；只有一套指令流水線的CPU稱為標(biāo)量流水CPU；有多套指令流水線的CPU稱為超標(biāo)量流水CPU。超標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)是時(shí)間并行與空間并行的結(jié)合。什么是超標(biāo)量流水處理器標(biāo)量指單個(gè)量；160超標(biāo)量流水線CPU裝滿后，每個(gè)時(shí)鐘完成2條指令。I2I4I6I8I10空間IF1時(shí)間12345678I1I3I5I7I9IF2I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9ID1ID2EX1EX2WB1WB2play超標(biāo)量流水線CPU裝滿后，每個(gè)時(shí)鐘完成2條指令。I2