《计算机组成原理》第3版PPT电子课件教案-第五章 中央处理器.ppt

第五章 中央处理器,cpu（central processing unit) 中央处理器：计算机的核心部件。,1）cpu,运算器 第二章已讲 控制器,1.cpu的功能 1）指令控制 2）操作控制 3）时间控制 4）数据加工 总的功能：协调计算机各个部件工作，它是计算机司令部。类似于人大脑。,按(pc)取指令ir,（pc）+1 pc,指令1,指令n,各种微操作,决定下一条指令地址,pc/转移地址pc,5.1 cpu的功能和组成（p153） 一旦把解题的程序装入内存，就由计算机自动完成取出指令和执行指令的任务，专门用来完成此工作的计算机部件就是cpu。,2. cpu的基本组成 传统包括：运算器，控制器 现代cpu基本组成包括：运算器，cache、控制器。 2.从教学目的出发，给出p154 图5.1 cpu模型。 (一)控制器(根据图5.1 cpu模型) (1)控制器的硬件的功能部件组成: (简单说明各功能) 1)程序计数器(pc) 2)指令寄存器(ir): 3)指令译码器(id): 4)时序产生器 5)操作控制器,(2)控制器的主要功能：p154 1)从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存的地址 2)对指令进行译码测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。(例如：内存一次读写操作；alu的一次算术/逻辑运算；一次输入/输出操作等) 3)指挥并控制cpu、内存和输入/输出设备之间的数据流动方向。 (二)运算器(根据图5.1 cpu模型) (1)运算器的硬件功能部件组成： alu、累加寄存器、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器 总线等。,(2)运算器的两个主要功能： 1)执行所有的算术运算。 2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。(例如：0测试或两个值的比较) (三)cpu模型机中的主要基本寄存器:p154 图5.1 动画演习五上(1)。 指令寄存器(ir)、程序计数器(pc)、地址寄存器(ar)、缓冲寄存器(dr)、累加寄存器(ac)、状态寄存器(psw)。 各类主要基本寄存器功能与结构 1)缓冲寄存器(dr)：暂时存放从内存读出的一条指令或一个数据；反之，向内存要写入一条指令或一个数据也要暂时存放其中。,op:操作码,决定本次指令执行类型,若op=n,则共有2n种不同类型的指令。 d:操作数地址(一般指出操作数在主存中的地址,若操作数在通用寄存器中,则给出通用寄存器号),还有很多寻址方式(直接寻址,间接寻址,变址寻址,立即数寻址)。 指令寄存器中的操作码经过指令译码器输出，向操作控制器发出具体操作的特定信号。 3)程序计数器(pc):存放下一条要执行指令的主存地址。 当程序顺序执行指令时,下一条指令地址为： (pc)+1pc 当执行转移指令(无条件转移指令,条件转移指令(条件转移成功)，下一条指令地址为： 转移地址pc。,4)地址寄存器(ar):保存当前cpu所访问的内存单元的地址。(包括：取指令的地址，读/写操作数的地址) 5)累加寄存器(ac):它是一个通用寄存器。 功能：为alu执行算术/逻辑运算时，提供一个工作区。作为参加运算时的一个操作数，而且可作为存放操作结果的地方。 一般计算机是多累加器，由多个通用寄存器组成。 6)状态条件寄存器(psw) 功能：保存算术/逻辑类型指令运行或测试的结果建立的各种条件码的内容(例如：nvcz)。 此外，还可保存中断和系统工作状态等信息。,(四)操作控制器与时序发生器 (1)数据通路：计算机cpu内多个寄存器之间传送信息的通路。 建立一条数据通路必须指明： 信息从什么地方开始，中间经过哪些寄存器或多路开关，最后送到哪个目的寄存器，都要加以控制(由微操作控制，该微操作为低电平，没有此微操作；反之，要高电平)。 (2)操作控制器的功能：根据指令的操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便形成正确的数据通路，完成取指令和执行指令的功能。 (3)操作控制器设计方法: 1)硬布线控制器时序逻辑型, 采用各种门电路的时序逻辑技术实现。,2)微程序控制器存贮逻辑型, 采用存放在控制存贮器(cs)的微程序存贮逻辑技术实现。 3)前两种方法的结合。 下面着重讲微程序控制器的方法。 (4)时序产生器： 功能：对各种操作信号实施时间上的控制(周期、节拍和打入脉冲等)。 每个微操作执行都有时间先后，不是同时执行的。 此外，还要有中断系统等，在后面章节中讨论。,5.2 指令周期(本章的重点) 1.指令周期：从内存中取出一条指令并执行这条指令需要的时间。 指令不同，指令周期是不相同。 若所有指令字长度相同，则取指令的时间是一样。但执行指令的时间可能都不一样。 2.cpu周期：机器周期。(cpu内部执行速度快，cpu访问存贮器存取速度慢)以内存中读取一个字最短时间为一个cpu周期。 3.时钟周期：节拍脉冲或t周期，处理某个微操作需要时间的基本单位。 一个cpu周期包含有若干个时钟周期； 一个指令周期包含有若干个cpu周期。至少2个cpu周期。,p157 图5.2 取指令执行指令序列。动画演习五上(2)。 p157 图5.3 采用定长cpu周期的指令周期示意图。 一个cpu周期包含有4个节拍(时钟周期t)。一个指令周期包括2个cpu周期。 p158 表5.1 五条典型指令组成的一个程序(反复加6)。 cla 0ac 非访内指令。 add 30 (ac)+(30)ac 直接访内指令 sta 40 (ac) 40 直接访内指令 nop 空操作指令 jmp 21 无条件转移指令 程序控制指令 下面分析五条指令的指令周期中的cpu周期及执行操作。,(1) cla指令的指令周期-非访内指令 1)p158 图5.4 非访内指令的指令周期 动画演习五上(3)。 根据图5.4非访内指令的指令周期，包含两个cpu周期： 第一个cpu周期：取指令阶段。公操作阶段。 完成三件事： a)从内存取出指令。 b)程序计数器加1,为取下一条指令做好准备。 c)对指令操作码进行译码或测试，以便确定进行什么操作。 第二个cpu周期：执行指令阶段。需要一个cpu周期。 根据对指令操作码进行译码或测试，进行指令所要求的操 作。 cla指令：0alu，aluac,取指令 pc+1,对指令 译码,执行指令,取下一条指令 pc+1,取指令阶段,执行指令阶段,一个cpu周期,一个cpu周期,p158 图5.4 cla指令的指令周期,取指令阶段cpu执行的动作(微操作)如下:p159 图 5.5 (1)(pc) ar (20q) (2) (pc)+1 pc ( 21q) (3)(ar) 地址总线, rd(读命令) (4)20q单元内容读出(指令cla)，经过数据总线dr。 (5)(dr) ir (6)ir中的op被译码或测试； (7)cpu识别出是指令cla。 执行指令阶段cpu执行的动作(微操作)如下：p160 图 5.6 (1)0alu; (2)aluac;,(2) add指令的指令周期-直接访内指令 1)p160 图5.7直接访内指令的指令周期 动画演习五上(4)。 根据图5.7直接访内指令的指令周期，包含三个cpu周期： 取指令阶段: 第一个cpu周期：同前公操作阶段。 执行指令阶段: add指令执行阶段需要2个cpu周期。 第二个cpu周期：送操作数地址。 ir(d=30)ar。 第三个cpu周期：两操作数相加。 读主存30号单元dr, (ac)+(dr)ac。,(3) sta指令的指令周期-直接访内指令 1)p162 图5.10 直接访内指令sta的指令周期 。 动画演习五上(7)。 根据图5.10 直接访内指令sta指令周期，包含三个cpu周期： 取指令阶段: 第一个cpu周期：同前公操作阶段。 执行指令阶段: sta指令执行阶段需要2个cpu周期。 第二个cpu周期：送操作数地址。 ir(d=40)ar。 第三个cpu周期：存贮和数。 (ac)dr, 启动内存写操作(把ac累加器的和数写入内存40号单元)。,(4) nop指令和jmp指令的指令周期 nop指令-取指令阶段: 第一个cpu周期：同前公操作阶段。 执行指令阶段:一个cpu周期。 第二个cpu周期：操作控制器不发出任何控制信号。 jmp指令-p164 图5.12 jmp指令周期。 动画演习五上(8)。 根据图5.12 转移指令jmp指令周期，包含二个cpu周期： 取指令阶段: 第一个cpu周期：同前公操作阶段。 执行指令阶段: 1个cpu周期。 第二个cpu周期：送下条指令地址。 ir(d=21)pc。 五条指令取指令和执行指令动态过程(自己看能演习最好演习一下，计算机直规操作):动画演习五上(5)。,(5)用方框图语言表示指令周期 p166 图5.14 5条指令执行序列动画演习五上(6)。简单说明。 几点说明： a)一个方框图代表一个cpu周期。 b)方框图的内容，表示数据通路的操作或某种控制操作。 c)除了方框图以外还有菱形符号，表示某种判别或测试，不过时间上它依赖于紧接它前面一个方框图的cpu周期，而不单独占用一个cpu周期。 对5条指令执行的cpu周期作简单说明。 p166 例1 图5.15(另一个计算机数据通路，自己看)。,5.3 时序产生器和控制方式p167 (一)关于时序产(发)生器 时序产生器的功能：产生时序信号，用来产生计算机执行过程中需要的各种微操作控制信号。 控制信号都是时间因素(时序信号)和空间因素(部件位置)的函数。 硬布线控制器中,时序信号采用：主状态周期节拍电位节拍脉冲三级时序系统。 微程序控制器中，时序信号采用：节拍电位节拍脉冲二级时序系统。 时序信号产生器硬件(微程序控制器中使用)组成： p169 图5.17 微程序控制器中： 时序信号产生器框图 时钟脉冲源(石英晶体振荡器)；环型脉冲发生器；节拍脉冲和读/写时序的译码逻辑;启仃控制逻辑。,(二)控制方式：控制不同操作序列时序信号的方法。 同步控制方式；异步控制方式；联合控制方式三种方式。 1.同步控制方式：在任何情况下，指令执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的。 根据不同情况，还可采用如下的方案： (1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。 优点：控制时序简单。缺点：简单指令时间浪费。 (2)采用不定长机器周期。对大多数指令操作安排在某个较短机器周期完成；对某些时间紧张的指令操作，采取延长机器周期的方法解决。 (3)采用中央控制和局部控制相结合。对大部分指令安排在固定的机器周期完成，称为中央控制；对少数复杂指令(乘、除、浮点运算)采用另外的时序进行定时，称为局部控制。,2.异步控制方式：每个操作用多少时间，就用多少时间，每条指令采用多少不等的机器周期组成。一般采用应答方式。当控制器发出某个微操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发回回答信号，再开始新的微操作。 每个微操作没有固定的cpu周期数和时钟节拍数。 3联合控制方式：同步控制方式和异步控制方式结合。 一种情况： 大部分指令安排固定的机器周期同步控制方式；有些操作时间难以确定，例如,存贮器读写，则采用异步控制方式。 另一种情况： 采用机器周期的节拍脉冲数固定，但各条指令周期的机器周期数不固定。,微命令系统(所有微命令的集合),指令系统(所有指令的集合),5.4微程序控制器 p172 计算机硬件分为两大部件：控制器和执行部件。 控制器：控制部件。 执行部件：运算器,存贮器,外围设备。 控制器通过控制线向执行部件发出各种控制命令。 介绍几个基本概念： 1.微命令和微操作 微命令: 在微程序设计的计算机中,控制器控制数据通路的控制命令。 微操作:执行部件接受微命令后，执行的具体操作。 p173 图5.21 简单运算器数据通路图中的微操作 动画演习五下(1)(13;49;都是微命令),2.微指令、微程序和微周期 微指令: 一条微指令，由若干个微命令组合而成,产生一组控制信号,去执行一次完整cpu周期数据通路操作。p174 图5.22 23位微指令格式定义。 微程序：由若干条微指令序列组成。一条指令由若干条微指令组成一段微程序，完成指令的功能。 微周期: 取出一条微指令(从控存控制存贮器中)需要的时间+执行这条微指令需要时间(一个cpu周期)。 一条微指令,执行一个微周期操作,由该微指令控制执行一次cpu周期操作,完成该微指令规定的一组微操作操作。,3.微程序控制器基本工作原理: 微操作控制信号的产生,不是用组合逻辑设计的方法得到,而是用读取控制贮存器(cs)中的一条微指令,由该微指令产生若干个微命令执行相应的微操作,控制一次数据通路的操作。 计算机在执行一条指令时,按指令寄存器ir中现存的指令,顺序地从控制贮存器中读出若干条微指令,多次控制数据通路的操作,完成指令功能。 它是存贮逻辑,不是布线逻辑。,微控制字段,微下地址字段,c s,op,微操作, ir:,0#:,n#:,ir:,ir:微指令寄存器：存放从控制存贮器读出来的一条要执行微指令。 微指令由两部分组成:,微控制字段：产生微操作，控制 一次数据通路操作。,微下地址字段：产生下一条微指 令的地址。, ar:,4.微程序控制器基本组成: p175 图5.24(稍作修改，画出下列框图) 动画演习五下(2),cs组成,ram,可读可写,可以由系统进行修改,rom，不能修改。,但在执行微指令时,只准读,不准写。,ar: 微指令地址寄存器: 存放下一条要执行微指令的地址, 接收ir产生的微地址和本条微指令寄存器中下址部分。 cs:控制存贮器: 存放全部指令的微程序(由微指令组成)。一般在执行时,只准读, 不准写。,5.计算机执行指令时怎么执行微程序? 通过执行几条微指令, 可根据pc内容从主存中取出指令ir, 且(pc)+1pc (公操作)。 一旦一条指令取出后,根据指令的操作码(op)等形成的微地址ar,从控制存贮器(cs)中取出该指令的第一条微指令送入ir,执行第一条微指令,控制数据通路操作,且根据该微指令中的微下址字段,送入ar,从cs中取出第二条微指令, 一直执行到该指令的最后的一条微指令,一方面完成该指令的执行功能，另一方面根据该微指令的微下址部分,转到公操作部分的微程序,再取下一条指令。,2)区别: 由指令组成 由用戶编写 放在主存中 一般可读可写,由微指令组成 由系统微程序员编写 放在控制存贮器(cs)中 只准读不准写,程序,微程序,6.程序和微程序的联系和区别：动画演习五下(3)p178 1)联系:执行一条指令 执行一段微程序 (有若干条微指令构成,完成该指令的功能)。,5.5 微程序设计技术 p179 在本章后面的内容,就是讲微指令结构如何设计？ ir： 微操作控制字段和微下址控制字段二部分。 1.微指令结构应当追求的目标：p180 (1)有利于缩短微指令字的长度。(微指令二进制位应尽可能少) (2)有利于减少控制存贮器的容量。 (微指令条数应尽可能少) (3)有利于提高微程序的执行速度。 (提高计算机执行速度) (4)有利于对微指令的修改。 (5)有利于提高微程序设计的灵活性。,2.微指令控制字段格式 p182 本节讨论如何设计微指令格式中,微指令控制字段? 它可分成两大类：水平型的微指令和垂直型微指令。,垂直型微指令: 本质上把指令中设计方法用到 微指令上。p182(1),(2),(3),(4)四种微指令的格式。 ir： 特点:有操作码(op),短格式,易懂, 并行性差,微程序容量大。,p182水平型微指令特点: ir： 无操作码,长格式,不易懂, 并行性强,微程序容量少。 在微程序设计的计算机中，要完成某种同样功能,用水平型微指令编写的微程序比垂直型微指令编写的微程序要少,因此用水平型微指令设计的计算机执行速度快。 现计算机強調速度: 在微程序设计的计算机中,微指令格式设计,一般采用水平型微指令格式。 下面讨论水平型微指令格式的三种设计方式： (1)直接表示法(不译法)、 (2)字段编码表示方法、 (3)混合表示法：,3.微操作控制字段设计方法 (1)直接表示法(不译法)：p174 图5.22 基本思想,把微指令控制字段中等每一个二进位定义一个微命令，该位为1,表示可执行该微命令的微操作,直接打开数据通路控制门,该位为0,不可执行该微命令的微操作。,微下址控制字段,n-1,0,微命令1,微命令n,0 无该微命令规定的微操作 1 有该微命令规定的微操作,优点: 不需要译码(执行速度快),各微操作在不矛盾的情况下,可并行工作。可直接把微指令的输出接到对应的控制门地方。 缺点：微控制字段中的二进制位太长(n太大时)。控制存贮器容量较大。 一般用在计算机系统中的微命令数较少,或用在军用或专用系统中。 (2)字段编码表示方法:p180 图5.30 字段直接译码法。 把一组互斥的微命令信号(在一个微周期中这些微命令不可能同时产生的)分在同一个字段中,并进行编码。把相容的微命令(在同一个微周期中,这些微命令对应的微操作可同时执行的)分在不同字段中,可并行执行。 克服直接表示法的缺点:减少控制字段的二进制位;而且保持不译法的优点:相容的微命令可并行工作。 现微程序设计的计算机采用的该方法，各个字段增加译码器硬件。,(3)混合表示法： 把直接表示法和字段编码表示法混合使用。 大部分采用字段编码表示法，少量独立的微命令采用直接表示法。 4.微地址控制字段形成方法 p181 本节讨论微指令格式中微地址控制字段如何设计？ 有两种方法，计数器方式和多路转移方式(微下地址字段法)。 (1)计数器方式(把指令执行顺序控制方法用到微程序设计顺序控制)，无下地址控制字段。ar改成pc。 对于顺序执行微指令来说: 通过(pc )+1 pc 这样下一条微指令地址已指出。,对于非顺序执行微指令(产生转移): 专门增加微转移指令(类似指令中转移指令),实现下一条微指令的地址。但该微转移指令,对于控制数据通路的操作的功能来讲,是一次空操作(所有微命令都沒有)。 计数器方法优点: 由于沒有微下址控制字段,微指令字长可减少。 计数器方法缺点: 在微程序的编写中,插入大量的微转移指令,增加了微程序量,可读性差,且影响计算机速度。 由于微程序编写中,微转移指令量这比程序中的转移指令多,因此微指令下地址控制字段设计方法采用微下址控制字段。,(2)多路转移方式(微下址控制字段法):,fcs,fd,微操作控制字段,微下地址控制字段,微转移控制字段,微下址字段,ir:,执行本条微指令: 一方面由微操作控制字段产生的微命令控制计算机数据通路一次操作。 另一方面由微下地址控制字段实现下一条微指令地址(实现多路转移功能)。,微下地址控制字段分为两个字段,fcs: 微地址转移控制字段。,fd: 微下地址字段(由控制存贮器cs的容量决定)。,微指令下地址产生逻辑: p175见图5.24 如何设计微指令微下地址控制字段,有很多方法,讲一种最简单又易于理解的方法:,微下址转移控制字段fcs的设计: 在微地址转移控制字段中,首先把计算机中数据通路中各种转移情况进行归纳,并且进行编码: fcs的二进制位数=log2(n+1) 其中n为最常用的根据操作码op,条件码,某一状态s等发生转移情况的个数。1表示无条件多路转移一种情况。,fcs 微地址转移情况 微下址的形成 000 无条件多路转移 ar=fd 001 根据op多路转移 ar=fd+op 010 根据条件码16路转移 ar=fd+nvcz 011 根据某一状态s2路转移 ar=fd+s,5.动态微程序设计 p183 静态微程序设计：对于一台计算机的机器指令只有一组微程序，而且设计好以后，无须改变也不能改变微程序的设计技术。控制存贮器（cs）采用rom存贮器芯片。 动态微程序设计：微指令和微程序根据需要可以改变，这样在一台计算机上可实现不同类型的指令系统的技术。控制存贮器（cs）采用eprom存贮器芯片。 微程序设计技术最大的优点：设计修改容易，增加指令很方便。 微程序设计技术最大的缺点：计算机执行的速度比较慢。,5.6 硬布线控制器 (p184) 硬布线控制器是一种设计计算机控制器的另一种方法。它把控制部件看作产生专门固定时序信号的逻辑电路。用门电路和触发器等构成复杂逻辑网络线路产生控制数据通路的微操作信号。 硬布线控制器设计技术的优点：可构成高速计算机。 硬布线控制器设计技术的缺点：一旦硬件设计及完成实施后，若发现有错，或增加指令很困难，必须重新设计和物理上对它重新布线。 1.硬布线控制器结构框图:(p184)见图5.31。 某一微操作控制信号 c=f(im,mi,tk,bj )。 根据结构框图： (1)逻辑网络输入信号来源有三个：,(1) im: 指令操作码译码器的输出。微操作与指令操作码有关,一条指令取出来,决定当前要执行的指令,功能的实现,是通过执行相对应的微操作。 (2) bj: 执行部件的结果反馈信号。 例如：条件码(nvcz)；某个状态state等。 某一个微操作控制信号和此时可能某个条件码(nvcz)的状态有关。 (3) mi 和tk：时序产生器的时序信号，包括节拍电位mi 、节拍脉冲tk。 某一个微操作控制信号执行是有时间的，发生在计算机的哪个节拍电位中的哪个节拍脉冲。,(2)p184 图5.31 逻辑网络输出信号有两类： 1)微操作控制信号c，用来对执行部件的控制(主要功能)。 2)改变时序发生器的计数顺序控制信号，以便跳过某些状态，从而缩短指令周期。 2. 指令执行流程 微程序控制器指令的执行是通过读出cs控制存贮器的一条条微指令来实现。 硬布线控制器指令的执行除了产生节拍脉冲信号外，还应当有节拍电位信号，指明现在执行的微操作处在计算机哪个节拍电位下进行。 例如：p185 图5.32 硬布线控制器的指令周期流程图。,特别指出3点： 1)某一框就是一个节拍电位，例如：m1, m2, m3 2)某一框中出现的例如irar就是一个微操作，在m2节拍电位下应该高电平。 3)五条指令同步方式(5条指令全部采用3个节拍)的实现。 五条指令异步方式(add，sta指令采用3个节拍；cla，jmp，nop指令采用2个节拍)的实现。 3.微操作控制信号的实现 方法：根据所有指令的流程图，找出产生同一个微操作信号的所有高电平的条件，写出布尔代数表达式，逻辑化简，然后用门电路(与门、或门和反相器等)或可编程器件实现。 举例：图5.32 五条指令流程图中， irar微操作： irar+=add m2 +sta m2 =(add+sta)m2。 其它的微操作可以同样写出。,5.7 传统cpu (1)m6800 cpu p187 图5.33 (2)intel 8088 cpu p188 图5.34 (3)ibm 370 系列 cpu p189 图5.35 (4) intel 80486 cpu p190 图5.36 简单介绍一下，自己看。 5.8 流水线 cpu p191 1.关于并行处理技术 早期计算机：冯诺依曼体系结构的特征：计算机各个部件操作串行处理。任何时刻，只有一个部件执行操作。 并行处理：计算机各个部件操作可以同时执行操作。 并行性包含两种含义： (1)同时性：两个以上的事件在同一时刻发生； (2)并发性：两个以上的事件在同一时间间隔内发生。 计算机并行处理技术贯穿信息加工处理的各个阶段。主要有三种形式：时间并行；空间并行；时间并行+空间并行。,时间并行：时间重叠。各个加工部件采用流水线加工方式 空间并行：资源重复。多处理器系统和多计算机系统。 时间并行+空间并行：时间重叠和资源重复地综合应用。 例如：奔腾计算机采用超标量流水线技术；在一个机器周期中同时执行两条指令时间并行+空间并行。 2.流水线 cpu的结构 p192 (1)现代流水计算机的系统组成原理图 p192 图5.37 a)存贮器体系：多体交叉存贮器和cache。 b)流水线 cpu：指令部件，fifo指令队列，执行部件3级流水线。 b.1指令部件构成一个指令流水线，包括：取指令，指令译码，计算操作数地址，取操作数等几个过程。,b.2指令队列是一个fifo的寄存器栈。存放经过译码的指令和取来的操作数，包括几个过程段组成的流水线。 b.3执行部件是由多个算术逻辑运算部件组成，每个运算部件本身也是采用流水线方式构成。 (2)执行部件速度的匹配问题：并行运算部件及每个部件的流水线工作方式。具体采用的方法有： 1)设置定点运算部件和浮点运算部件可并行工作，可同时处理定点运算指令和浮点运算指令。 2)浮点执行部件设置浮点加减法部件和浮点乘除法部件，可同时执行浮点的不同指令。 3)浮点运算部件采用流水线工作方式。 当指令部件正在执行第i条指令时，指令队列中存放第i+1,i+2,i+k条指令，指令部件正在取第i+k+1条指令。,2.流水线 cpu的时控图 p193 图5.38 动画演习五下(4) (1)图5.38 (a) 一个指令周期包括四个子过程： if(取指令)id(指令译码)ex(执行运算)wb(结果写回),每个加工需要时间为。 (2)图5.38 (b) 非流水线的时控图：串行加工方式 一条指令加工的4个子过程完成后，才可执行下一条指令。 (3)图5.38 (c) 标量流水线(一条指令的流水线)的时控图： 上一条指令的4个子过程和下一条指令的子过程在时间上可以重叠；当流水线满载时，每一个时钟周期就可输出一个结果。 (4)图5.38 (d) 超标量流水线(具有两条以上指令的流水线)的时控图(本图具有两条指令的流水线一个时钟周期执行2条指令)： 当流水线满载时，每一个时钟周期就可输出两个结果。 pentium 计算机是一个超标量流水线计算机。,1.n=10, k=4 串行加工的时空图:,4,0,36,ex,wb,40,i2,i2,i2,i2,i2,i1,i10,t,id,if,图5.38 (b) 非流水线的时控图 t=nk=104=40,1,2.n=10, k=4 流水线加工的时空图:,3,0,id,10,ex,wb,13,起始段,饱和段,结束段,if,t,图5.38 (c) 标量流水线(一条指令的流水线)的时控图 t=(n+k-1)=(10+4-1)=13 (各个阶段加工的特点),3.n=10, k=4:,3,0,if,t,if,i1,i3,i5,i7,i9,i2,i4,i6,i8,i10,id,id,i1,i3,i5,i7,i9,i2,i4,i6,i8,i10,ex,ex,i1,i3,i5,i7,i9,i2,i4,i6,i8,i10,wb,wb,i1,i3,i5,i7,i9,i2,i4,i6,i8,i10,8,i1 i2,i3 i4,i5 i6,i7 i8,i9 i10,图5.38 (d)双流水线超标量加工的时空图 t=(n/2+k-1) =(5+4-1)=8,根据图5.38 计算机三种加工方式时控图，设n=10条指令，k=4，指令之间没有相关性，每个加工过程需要的时间相同为，忽略队列存贮器的时间，求完