第八章CPU的結(jié)構(gòu)與功能課件

第八章CPU結(jié)構(gòu)和功能教學(xué)目標(biāo)：掌握CPU的結(jié)構(gòu)；理解指令周期的概念；了解指令流水的概念；掌握中斷系統(tǒng)的原理和過(guò)程；教學(xué)重點(diǎn)：CPU的結(jié)構(gòu)；指令周期數(shù)據(jù)流；中斷系統(tǒng)；.第八章CPU結(jié)構(gòu)和功能8.1CPU的結(jié)構(gòu)8.3指令流水8.2指令周期8.4中斷系統(tǒng).8.1CPU的結(jié)構(gòu)一、CPU的功能取指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出總線管理處理異常情況和特殊請(qǐng)求1.控制器的功能2.運(yùn)算器的功能實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算指令控制操作控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工處理中斷.PCIR指令控制操作控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工處理中斷ALU寄存器中斷系統(tǒng)1.使用系統(tǒng)總線的CPUCU時(shí)序電路寄存器ALU

中斷

系統(tǒng)CUCPU控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線二、CPU結(jié)構(gòu)框圖.算術(shù)和布爾邏輯取反移位狀態(tài)標(biāo)志內(nèi)部數(shù)據(jù)總線CPU寄存器CU中斷系統(tǒng)ALU控制信號(hào)…2.CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu).1.用戶可見(jiàn)寄存器(1)通用寄存器存放操作數(shù)可作某種尋址方式所需的專(zhuān)用寄存器(2)數(shù)據(jù)寄存器存放操作數(shù)（滿足各種數(shù)據(jù)類(lèi)型）兩個(gè)寄存器拼接存放雙倍字長(zhǎng)數(shù)據(jù)(3)地址寄存器存放地址，其位數(shù)應(yīng)滿足最大的地址范圍用于特殊的尋址方式段基值棧指針(4)條件碼寄存器存放條件碼，可作程序分支的依據(jù)如正、負(fù)、零、溢出、進(jìn)位等三、CPU的寄存器.(1)控制寄存器PC控制CPU操作(2)狀態(tài)寄存器其中MARMDRIR

用戶不可見(jiàn)PSW寄存器程序狀態(tài)字寄存器存放條件碼等

PC

用戶可見(jiàn)3.舉例Z80008086MC68000MARMMDRIR2.控制和狀態(tài)寄存器.1.CU產(chǎn)生全部指令的微操作命令序列組合邏輯設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)硬連線邏輯存儲(chǔ)邏輯2.中斷系統(tǒng)參見(jiàn)第四篇五、ALU參見(jiàn)8.4參見(jiàn)第六章四、控制單元CU和中斷系統(tǒng).8.2指令周期一、指令周期的基本概念1指令周期取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間完成一條指令取指、分析取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行取指階段執(zhí)行階段取指周期執(zhí)行周期（取指、分析）（執(zhí)行指令）指令周期.2每條指令的指令周期不同取指周期指令周期NOP取指周期執(zhí)行階段指令周期ADDmem取指周期執(zhí)行周期指令周期MULmem.3具有間接尋址的指令周期取指周期間址周期指令周期執(zhí)行周期4帶有中斷周期的指令周期取指周期間址周期指令周期執(zhí)行周期中斷周期.5指令周期流程取指周期有間址嗎？執(zhí)行周期有中斷嗎？間址周期中斷周期是是否否.6CPU工作周期的標(biāo)志CPU訪存有四種性質(zhì)取指令取地址取操作數(shù)存程序斷點(diǎn)取址周期間址周期執(zhí)行周期中斷周期CPU的四個(gè)工作周期DFEDINDDEXDINTCLK1FE1IND1EX1INT.IR二、指令周期的數(shù)據(jù)流1取指周期數(shù)據(jù)流PCMARCUMDRIR地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線存儲(chǔ)器CPU+1.2間址周期數(shù)據(jù)流MARCU地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線存儲(chǔ)器CPUMDRMDR.3執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同.4中斷周期數(shù)據(jù)流PCMARCUMDR地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線存儲(chǔ)器CPU.8.3指令流水一、如何提高機(jī)器速度1提高訪存速度高速芯片Cache多體并行2提高I/O和主機(jī)之間的傳送速度中斷DMA通道多總線I/O處理機(jī)3提高運(yùn)算器速度高速芯片改進(jìn)算法快速進(jìn)位鏈提高整機(jī)處理能力高速器件改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的并行性.二、系統(tǒng)的并行性1并行的概念并行并發(fā)同時(shí)兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間段發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生時(shí)間上互相重疊2并行性的等級(jí)過(guò)程級(jí)（程序、進(jìn)程）指令級(jí)（指令之間）粗粒度細(xì)粒度軟件實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn).三、指令流水原理1指令的串行執(zhí)行2指令的二級(jí)流水執(zhí)行指令1取指令1取指令取指令部件完成執(zhí)行指令執(zhí)行指令部件完成總有一個(gè)部件空閑取指令1執(zhí)行指令1執(zhí)行指令2取指令2執(zhí)行指令3取指令3指令預(yù)取若取指和執(zhí)行階段時(shí)間上完全重疊指令周期減半速度提高1倍執(zhí)行指令3取指令3…執(zhí)行指令2取指令2.3影響指令流水效率加倍的因素（1）執(zhí)行時(shí)間>取指時(shí)間執(zhí)行指令部件取指令部件執(zhí)行部件緩沖區(qū)（2）條件轉(zhuǎn)移指令對(duì)指令流水的影響必須等上條指令執(zhí)行結(jié)束，才能確定下條指令的地址造成時(shí)間損失猜測(cè)法解決辦法？.4指令的六級(jí)流水1234567891011121314指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令9tFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWO完成一條指令串行執(zhí)行六級(jí)流水6個(gè)單位時(shí)間14個(gè)單位時(shí)間54單位時(shí)間.三、影響指令流水性能的因素1234567891011121314指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令9tFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWO1結(jié)構(gòu)相關(guān)-訪存沖突指令1與指令4沖突指令2與指令5沖突指令1、指令3、指令6沖突……解決辦法指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)指令預(yù)取技術(shù)（適用于訪存周期短的情況）.2數(shù)據(jù)相關(guān)幾條相近的指令間，共用同一存儲(chǔ)單元或同一寄存器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)如：ADDR1,R2SUBR1,R3解決辦法采用旁路技術(shù)寄存器組鎖存器鎖存器ALU.3控制相關(guān)程序的相近指令之間出現(xiàn)某種關(guān)聯(lián)使指令流水出現(xiàn)停頓影響流水線效率.3控制相關(guān)LDA#0LDX#0ADDX,DINXCPX#NBNEMDIV#NSTAANSBNE指令必須等CPX指令必須等才能判斷出是轉(zhuǎn)移還是順序執(zhí)行M.3控制相關(guān)1234567891011121314指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令15指令16tFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOFIDICOFIDIFIFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWO設(shè)指令3是轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移損失.五、流水線結(jié)構(gòu)1指令流水線結(jié)構(gòu)完成一條指令分7段，每段需一個(gè)時(shí)鐘周期修改指令指針部件回寫(xiě)結(jié)果部件操作執(zhí)行部件取操作數(shù)部件地址形成部件指令譯碼部件取指令部件鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存若流水線不出現(xiàn)斷流不采用流水技術(shù)理想情況下，7級(jí)流水的速度是不采用流水技術(shù)的7倍1個(gè)時(shí)鐘周期出1結(jié)果7個(gè)時(shí)鐘周期出1結(jié)果.2運(yùn)算流水線完成浮點(diǎn)加減運(yùn)算可分對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化三段鎖存器對(duì)階功能部件第一段鎖存器規(guī)格化部件第三段鎖存器尾數(shù)加部件第二段分段原則每段操作時(shí)間盡量一致.8.4中斷系統(tǒng)一、概述1引起中斷的各種因素（1）人為設(shè)置的中斷如轉(zhuǎn)管指令轉(zhuǎn)管指令管理程序………（2）程序性事故溢出、操作碼不能識(shí)別、除法非法（3）硬件故障（4）I/O設(shè)備（5）外部事件用鍵盤(pán)中斷現(xiàn)行程序.2中斷系統(tǒng)需解決的問(wèn)題（1）各中斷源如何向CPU提出請(qǐng)求？（2）各中斷源同時(shí)提出請(qǐng)求怎么辦？（3）CPU什么條件、什么時(shí)間、以什么方式響應(yīng)中斷？（4）如何保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)？（5）如何尋找入口地址？（6）如何恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，如何返回？（7）處理中斷的過(guò)程中又出現(xiàn)新的中斷怎么辦？硬件+軟件.二、中斷請(qǐng)求標(biāo)記和中斷判優(yōu)邏輯1中斷請(qǐng)求標(biāo)記INTR一個(gè)請(qǐng)求源一個(gè)INTR中斷請(qǐng)求標(biāo)記觸發(fā)器多個(gè)INTR組成中斷請(qǐng)求標(biāo)記寄存器12345n過(guò)熱錯(cuò)內(nèi)存讀寫(xiě)校驗(yàn)掉電階上溢非法除法鍵盤(pán)打印機(jī)INTR分散在各個(gè)中斷源的接口電路中INTR集中在CPU

的中斷系統(tǒng)內(nèi).2中斷判優(yōu)邏輯（1）硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器）②集中在CPU內(nèi)①分散在各個(gè)中斷源的接口電路中鏈?zhǔn)脚抨?duì)器參見(jiàn)第五章INTP1INTP2INTP3INTP4111&1&1&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1、INTR2、INTR3、INTR4

優(yōu)先級(jí)按降序排列.（2）軟件實(shí)現(xiàn)（程序查詢）A、B、C

優(yōu)先級(jí)按降序排列是否A

請(qǐng)求？是否B

請(qǐng)求？是否C

請(qǐng)求？否否否……是是是轉(zhuǎn)A

的服務(wù)程序入口地址轉(zhuǎn)B

的服務(wù)程序入口地址轉(zhuǎn)C

的服務(wù)程序入口地址.三、中斷服務(wù)程序入口地址的尋找1硬件向量法向量地址形成部件…………中斷向量排隊(duì)器輸出向量地址12H、13H、14H入口地址200、300、400JMP200JMP300JMP40012H13H14H主存入口地址20012H13H14H入口地址300入口地址400主存.2軟件查詢法八個(gè)中斷源1、2、……8按降序排列中斷識(shí)別程序（入口地址M）地址指令說(shuō)明……SKPDZ1#1#D=0跳（D為完成觸發(fā)器）JMP1#SR1#D=1轉(zhuǎn)1#服務(wù)程序SKPDZ2#JMP2#SR2#D=0跳2#D=1轉(zhuǎn)2#服務(wù)程序SKPDZ8#JMP8#SR8#D=0跳8#D=1轉(zhuǎn)8#服務(wù)程序M.四、中斷響應(yīng)1響應(yīng)中斷的條件2響應(yīng)中斷的時(shí)間允許中斷觸發(fā)器EINT=1指令執(zhí)行周期結(jié)束時(shí)刻由CPU發(fā)查詢時(shí)刻INTR1QDINTR2QDINTRnQD中斷源1中斷源2中斷源n……至排隊(duì)器中斷查詢CPU.3中斷隱指令（1）保護(hù)程序斷點(diǎn)斷點(diǎn)存于特定地址（0號(hào)地址）內(nèi)（2）尋找服務(wù)程序入口地址特定地址PC（硬件向量法）中斷識(shí)別程序入口地址MPC（軟件查詢法）斷點(diǎn)進(jìn)棧.（3）硬件關(guān)中斷INTQSREINTQSR1&向量地址形成部件…排隊(duì)器…PCINT中斷標(biāo)記EINT允許中斷R-S觸發(fā)器.五、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)1保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)斷點(diǎn)寄存器內(nèi)容中斷隱指令完成中斷服務(wù)程序

完成2恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷服務(wù)程序

完成中斷服務(wù)程序保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)PUSH其他服務(wù)程序視不同請(qǐng)求源而定恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)POP中斷返回IRET.六、中斷屏蔽技術(shù)1多重中斷的概念2實(shí)現(xiàn)多重中斷的條件（1）提前設(shè)置開(kāi)中斷指令（2）優(yōu)先級(jí)別高

的中斷源有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低的的中斷源ABCD中斷服務(wù)程序（A、B、C、D優(yōu)先級(jí)按降序排列）主程序中斷請(qǐng)求B,CDA.3屏蔽技術(shù)（1）屏蔽觸發(fā)器的作用INTRDMASKQ1&DQCPU查詢MASK=0（未屏蔽）INTR=1能被置“1”11111&&&INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR4INTR3INTR2MASK4MASK3MASK2MASK1MASKi=1（屏蔽）INTPi=0（不能被排隊(duì)選中）.（2）屏蔽字16個(gè)中斷源按1、2、3……16按降序排列優(yōu)先級(jí)1234561516……屏蔽字11111111