第5章CPU 的結(jié)構(gòu)和功能

作業(yè)問(wèn)題說(shuō)明回執(zhí)要求的問(wèn)題：有的沒(méi)有要求回執(zhí)，有的在郵件內(nèi)容中寫(xiě)道“請(qǐng)老師回復(fù)”，請(qǐng)?jiān)卩]件系統(tǒng)中要求回執(zhí)；作業(yè)形式：請(qǐng)用word文件作為附件提交；作業(yè)文件按章提交，以作者名字及章的序號(hào)的組合作為文件名。作業(yè)：4.1某計(jì)算機(jī)主存是位，存儲(chǔ)字長(zhǎng)等于指令字長(zhǎng)，若該機(jī)指令系統(tǒng)能完成97種操作，操作碼位數(shù)固定，且具有直接、間接、基址、變址、相對(duì)、立即等6種尋址方式。(1)畫(huà)出一地址指令格式并指出各字段的作用(2)該指令直接尋址的最大范圍(3)一次間接尋址和多次間址的尋址范圍(4)立即數(shù)范圍(5)相對(duì)尋址的位移量(6)上述尋址方式中哪一種執(zhí)行時(shí)間最短，哪一種最長(zhǎng)，哪一種便于編制處理數(shù)組問(wèn)題的程序？(7)如何修改指令，使得指令的尋址范圍擴(kuò)大到4M(8)為了能使一條指令轉(zhuǎn)移到主存任何一個(gè)位置，可采取何種措施。(1)97種操作，由于，采用7位操作碼；6種尋址方式，因此采用3位尋址特征位；指令字長(zhǎng)等于存儲(chǔ)字長(zhǎng)為16位，因此操作數(shù)地址碼為6位；(2)直接尋址的最大范圍是個(gè)存儲(chǔ)單元。(3)因?yàn)榇鎯?chǔ)字長(zhǎng)是16位，因此一次間接尋址的最大范圍是個(gè)存儲(chǔ)單元；多次間接尋址時(shí)，因?yàn)榇鎯?chǔ)字中有一位用來(lái)表示是否間接尋址結(jié)束，因此尋址范圍是個(gè)存儲(chǔ)單元。(4)立即數(shù)尋址時(shí)，采用補(bǔ)碼，因?yàn)橛?位，可表示(5)相對(duì)尋址，采用補(bǔ)碼方式，6位代碼的偏移量是(6)上述方式中，立即數(shù)尋址指令執(zhí)行最快，多次間接尋址方式速度最慢，變址尋址便于解決數(shù)組問(wèn)題。(7)4M空間需要22位地址碼，因此可采用雙字長(zhǎng)指令，即可滿(mǎn)足尋址要求；(8)主存為4M字空間，有兩種方法在整個(gè)主存空間轉(zhuǎn)移：

1.采用雙字長(zhǎng)指令

2.采用基址尋址：基址寄存器內(nèi)容+6位形式地址=有效地址為了得到22位尋址空間，可以把基址寄存器的16位字長(zhǎng)的內(nèi)容左移6位，得到22位字長(zhǎng)，再和形式地址相加即可。第5章CPU的結(jié)構(gòu)和功能5.1CPU的結(jié)構(gòu)5.3指令流水5.2指令周期5.4中斷系統(tǒng)5.1CPU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(xiàn)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)加工處理中斷二、CPU結(jié)構(gòu)框圖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.CPU與系統(tǒng)總線(xiàn)CU時(shí)序電路寄存器ALU

中斷

系統(tǒng)CUCPU控制總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)地址總線(xiàn)5.12.CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.1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(xiàn)寄存器CU中斷系統(tǒng)ALU控制信號(hào)…CPU1.用戶(hù)可見(jiàn)寄存器(1)通用寄存器三、CPU的寄存器存放操作數(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(mǎn)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(mǎn)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5.12.控制和狀態(tài)寄存器(1)控制寄存器PC控制CPU操作(2)狀態(tài)寄存器其中MAR、MDR、IR

用戶(hù)不可見(jiàn)中斷標(biāo)記寄存器PSW寄存器存放程序狀態(tài)字

PC

用戶(hù)可見(jiàn)3.舉例Z80008086MC68000MARMMDRIR5.1四、控制單元CU和中斷系統(tǒng)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(xiàn)邏輯存儲(chǔ)邏輯2.中斷系統(tǒng)參見(jiàn)后續(xù)章節(jié)五、ALU參見(jiàn)后續(xù)章節(jié)參見(jiàn)第三章5.15.2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)間完成一條指令執(zhí)行取指、分析取指階段取指周期執(zhí)行階段執(zhí)行周期（取指、分析）（執(zhí)行指令）指令周期取指周期執(zhí)行周期2.每條指令的指令周期不同取指周期指令周期取指周期執(zhí)行周期指令周期NOPADDmem

MULmem5.2取指周期執(zhí)行周期指令周期…3.具有間接尋址的指令周期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)行周期取指周期間址周期指令周期執(zhí)行周期中斷周期5.25.指令周期流程取指周期執(zhí)行周期有間址嗎？有中斷嗎？間址周期中斷周期是是否否5.26.CPU工作周期的標(biāo)志CPU訪(fǎng)存有四種性質(zhì)取指令取地址取操作數(shù)存程序斷點(diǎn)取指周期間址周期執(zhí)行周期中斷周期FEDINDDINTDCLK1FE1IND1EX1INTEXDCPU的4個(gè)工作周期5.21.取指周期數(shù)據(jù)流二、指令周期的數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲(chǔ)器CPU地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)IR+15.22.間址周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)PCIR存儲(chǔ)器MDR5.23.執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流4.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MDRCUMARCPU地址總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)控制總線(xiàn)PC存儲(chǔ)器5.25.3指令流水一、如何提高機(jī)器速度1.提高訪(fǎng)存速度2.提高I/O和主機(jī)之間的傳送速度提高整機(jī)處理能力高速芯片Cache多體并行I/O處理機(jī)DMA多總線(xiàn)通道高速器件改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的并行性中斷3.提高運(yùn)算器速度高速芯片改進(jìn)算法快速進(jìn)位鏈二、系統(tǒng)的并行性時(shí)間上互相重疊2.并行性的等級(jí)指令級(jí)（指令之間）（指令內(nèi)部）過(guò)程級(jí)（程序、進(jìn)程）兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間段發(fā)生并行1.并行的概念粗粒度軟件實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度硬件實(shí)現(xiàn)并發(fā)同時(shí)5.3取指令3執(zhí)行指令3三、指令流水原理2.指令的二級(jí)流水1.指令的串行執(zhí)行取指令

取指令部件完成總有一個(gè)部件空閑指令預(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

執(zhí)行指令部件

完成取指令1執(zhí)行指令1取指令2執(zhí)行指令2取指令3執(zhí)行指令3取指令2執(zhí)行指令2取指令1執(zhí)行指令15.3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

(2)條件轉(zhuǎn)移指令對(duì)指令流水的影響

解決辦法

？取指令部件指令部件緩沖區(qū)執(zhí)行指令部件猜測(cè)法5.34.指令的六級(jí)流水六級(jí)流水14

個(gè)時(shí)間單位串行執(zhí)行6×9＝

54

個(gè)時(shí)間單位完成一條指令6個(gè)時(shí)間單位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI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9

1234567891011121314t5.3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…COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI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9

1234567891011121314t四、影響指令流水線(xiàn)性能的因素1.結(jié)構(gòu)相關(guān)5.3不同指令爭(zhēng)用同一功能部件產(chǎn)生資源沖突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(xiàn)效率解決辦法?停頓?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(fǎng)存周期短的情況）2.數(shù)據(jù)相關(guān)不同指令因重疊操作，可能改變操作數(shù)的讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)順序采用旁路技術(shù)解決辦法5.3寫(xiě)后讀相關(guān)（RAW）SUBR1，R2，R3ADDR4，R5，R1；（R2）

（R3）R1；（R5）+（R1）R4讀后寫(xiě)相關(guān)（WAR）STAM，R2ADDR2，R4，R5；（R2）M存儲(chǔ)單元；（R4）+（R5）R2寫(xiě)后寫(xiě)相關(guān)（WAW）后推法MULR3，R2，R1SUB

R3，R4，R5；（R2）×

（R1）R3；（R4）（R5）

R33.控制相關(guān)5.3BNE指令必須等CPX指令的結(jié)果才能判斷出是轉(zhuǎn)移還是順序執(zhí)行LDA#0LDX#0INXCPX#NBNEMDIV#NSTAANSADDX,DM由轉(zhuǎn)移指令引起3.控制相關(guān)5.3WOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI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16

1234567891011121314轉(zhuǎn)移損失t設(shè)指令3是轉(zhuǎn)移指令五、流水線(xiàn)性能1.吞吐率單位時(shí)間內(nèi)流水線(xiàn)所完成指令或輸出結(jié)果的數(shù)量5.3最大吞吐率實(shí)際吞吐率連續(xù)處理n條指令的吞吐率為設(shè)m

段的流水線(xiàn)各段時(shí)間為ΔtTpmax=Δ1tTp=m

·Δ

+(n-1)·

Δ

ntt2.加速比Sp

5.3

m

段的流水線(xiàn)的速度與等功能的非流水線(xiàn)的速度之比設(shè)流水線(xiàn)各段時(shí)間為Δt完成n條指令在m

段流水線(xiàn)上共需

T=m

·

+(n-1)·

ttΔΔ完成n條指令在等效的非流水線(xiàn)上共需

T

′=nm

·tΔSp

=

m

·+(n-1)·

nm·=nmm

+n-1

ΔtΔΔtt

則由于流水線(xiàn)有建立時(shí)間和排空時(shí)間因此各功能段的設(shè)備不可能

一直處于工作狀態(tài)

5.3流水線(xiàn)中各功能段的利用率3.效率

mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT時(shí)間S空間空間S4S3S2S1(n-1)Δt5.3m(m

+n-1)Δt

=mnΔt

流水線(xiàn)各段處于工作時(shí)間的時(shí)空區(qū)流水線(xiàn)中各段總的時(shí)空區(qū)

效率=3.效率

mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT時(shí)間S空間空間S4S3S2S1(n-1)Δt流水線(xiàn)中各功能段的利用率六、流水線(xiàn)的多發(fā)技術(shù)1.超標(biāo)量技術(shù)每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可并發(fā)多條獨(dú)立指令

不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序配置多個(gè)功能部件通過(guò)編譯優(yōu)化技術(shù)，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來(lái)5.3IFIDEX

WR0123

45

678

910111213時(shí)鐘周期指令序列2.超流水線(xiàn)技術(shù)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)再分段（3段）

不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一個(gè)功能部件使用多次（3次）靠編譯程序解決優(yōu)化問(wèn)題流水線(xiàn)速度是原來(lái)速度的3倍5.3IFIDEXWR0

1

2

345

67

8

9

10111213時(shí)鐘周期指令序列3.超長(zhǎng)指令字技術(shù)采用多個(gè)處理部件具有多個(gè)操作碼字段的超長(zhǎng)指令字（可達(dá)幾百位）由編譯程序挖掘出指令間潛在的并行性，將多條能并行操作的指令組合成一條5.3IFIDEXWR012345678910111213時(shí)鐘周期指令序列七、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)1.指令流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)完成一條指令分7段，每段需一個(gè)時(shí)鐘周期若流水線(xiàn)不出現(xiàn)斷流1個(gè)時(shí)鐘周期出

1

結(jié)果不采用流水技術(shù)7個(gè)時(shí)鐘周期出1

結(jié)果理想情況下，7級(jí)流水的速度是不采用流水技術(shù)的7倍地址形成部件指令譯碼部件取操作數(shù)部件取指令部件操作執(zhí)行部件回寫(xiě)結(jié)果部件修改指令指針部件鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存5.32.運(yùn)算流水線(xiàn)完成浮點(diǎn)加減運(yùn)算可分對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化三段分段原則每段操作時(shí)間盡量一致鎖存器對(duì)階功能部件第一段尾數(shù)加部件鎖存器第二段規(guī)格化部件鎖存器第三段5.35.4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(2)程序性事故如轉(zhuǎn)管指令溢出、操作碼不能識(shí)別、除法非法(5)外部事件(4)I/O設(shè)備(3)硬件故障用鍵盤(pán)中斷現(xiàn)行程序轉(zhuǎn)管指令……管理程序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？(5)如何停止原程序執(zhí)行并轉(zhuǎn)入中斷程序入口地址？(4)CPU響應(yīng)中斷后，如何保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)？(3)CPU什么條件、什么時(shí)間、以什么方式

響應(yīng)中斷？(6)中斷處理結(jié)束后，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？方法：在中斷系統(tǒng)中配置相應(yīng)的硬件和軟件5.4二、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)12345n掉電過(guò)熱階上溢主存讀寫(xiě)校驗(yàn)錯(cuò)非法除法鍵盤(pán)輸入打印機(jī)輸出5.42.中斷判優(yōu)邏輯①

分散在各個(gè)中斷源的接口電路中鏈?zhǔn)脚抨?duì)器②集中在CPU

內(nèi)(1)硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器）

1

1

1

&

1

&

1

&參見(jiàn)第五章INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1

、

INTR2、

INTR3、

INTR4

優(yōu)先級(jí)按降序排列

INTP1INTP2INTP3INTP45.4A、B、C

優(yōu)先級(jí)按降序排列(2)軟件實(shí)現(xiàn)（程序查詢(xún)）否…是否A

請(qǐng)求？是否B

請(qǐng)求？是否C

請(qǐng)求？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)程序入口地址是是是否否5.4三、中斷服務(wù)程序入口地址的尋找1.硬件向量法入口地址200入口地址300入口地址40012H13H14H主存12H13H14HJMP200JMP300JMP400主存向量地址形成部件……中斷向量排隊(duì)器輸出向量地址

12H、13H、14H入口地址

200、300、4005.42.軟件查詢(xún)法

M

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)程序八個(gè)中斷源1，2，8按降序排列……5.4

SKPDZ1#1#D=0跳（D為完成觸發(fā)器）中斷識(shí)別程序（入口地址M）地址說(shuō)明指令四、中斷響應(yīng)1.響應(yīng)中斷的條件允許中斷觸發(fā)器EINT=12.響應(yīng)中斷的時(shí)間指令執(zhí)行周期結(jié)束時(shí)刻由CPU發(fā)查詢(xún)信號(hào)

CPU中斷查詢(xún)INTR1DQINTR2DQINTRnDQ中斷源1中斷源2中斷源n…至排隊(duì)器5.43.中斷隱指令（CPU響應(yīng)中斷后自動(dòng)調(diào)用,完成系列操作）(1)保護(hù)程序斷點(diǎn)(2)尋找服務(wù)程序入口地址(3)硬件關(guān)中斷向量地址形成部件INTSQREINTSQRPC

1

&≥1排隊(duì)器……斷點(diǎn)存于特定地址（0號(hào)地址）內(nèi)斷點(diǎn)進(jìn)棧INT中斷標(biāo)記EINT允許中斷R–S

觸發(fā)器5.4向量地址PC（硬件向量法）中斷識(shí)別程序入口地址MPC（軟件查詢(xún)法）五、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)1.保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)2.恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)寄存器內(nèi)容斷點(diǎn)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)其它服務(wù)程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回PUSH視不同請(qǐng)求源而定POP中斷服務(wù)程序完成中斷服務(wù)程序中斷隱指令完成中斷服務(wù)程序完成5.4IRET1.多重中斷的概念klmk

+1l

+1m

+1第一次中斷第二次中斷第三次中斷程序斷點(diǎn)k+1,l+1,m+1六、中斷屏蔽技術(shù)5.42.實(shí)現(xiàn)多重中斷的條件B、CA中斷請(qǐng)求主程序(2)優(yōu)先級(jí)別高的中斷源有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低的中斷源(1)提前設(shè)置開(kāi)中斷指令A(yù)BCD中斷服務(wù)程序（A、B、C、D優(yōu)先級(jí)按降序排列）D5.4

&3.屏蔽技術(shù)使低級(jí)別中斷源不干擾高級(jí)別中斷源的處理過(guò)程(1)屏蔽觸發(fā)器的作用MASK=0（未屏蔽）INTR能被置“1”

&

&

&

&

1

1

1

1INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4MASK1MASK2MASK3MASK4DQ

1DINTR

MASKQCPU查詢(xún)MASKi

=1（屏蔽）INTPi

=0（不能被排隊(duì)選中）5.4(2)屏蔽字屏蔽觸發(fā)器全體組成一個(gè)屏蔽寄存器5.4

優(yōu)先級(jí)屏蔽字111111111111111101111111111111110011111111111111000111111111111100001111111111110000011111111111…000000000000001100000