白中英 第五版 计算机组成原理第5章

1、计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理第第5 5章章 中央处理器中央处理器 5.1 CPU的组成和功能5.7 流水CPU 5.2 指令周期5.8 RISC CPU5.3 时序产生器和控制方式5.9 多媒体CPU 5.4 微程序控制器 5.5 硬连线线控制器5.6 传统CPU计算机组成原理计算机组成原理5.1 CPU5.1 CPU的组成和功能的组成和功能 l5.1.1 CPU的功能l5.1.2 CPU的基本组成l5.1.3 CPU中的主要寄存器l5.1.4 操作控制器与时序产生器 中央处理器是控制计算机自动完成取出指令和执行指令中央处理器是控制计算机自动完成取出指令和执行指令任

2、务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为CPU（Central Processing Unit）计算机组成原理计算机组成原理5.1.1 CPU5.1.1 CPU的功能的功能 指令控制 保证机器按程序规定的顺序取出执行 操作控制操作控制 CPUCPU产生每条指令对应的操作信号，并把操作信号送往产生每条指令对应的操作信号，并把操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作 时间控制时间控制 对各种操作的实施时间进行定时对各种操作的实施时间进行定时 数据加工数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运

3、算处理对数据进行算术运算和逻辑运算处理控控制制器器运运算算器器计算机组成原理计算机组成原理5.1.2 CPU5.1.2 CPU的基本组成的基本组成l 控制器:完成对整个计算机系统操作的协调与指挥。 (1) 取出一条指令，并指出下一条指令的地址； (2) 指令译码，产生操作控制信号送往相应的部件； (3) 指挥并控制CPU、内存与I/O设备之间数据流动的方向l 运算器:是数据加工处理部件，所进行的全部操作由控制器发出的控制信号指挥 。 (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CPU由由运算器运算器、cache和和控制器控制器三大部分组成。三大部分组成。 计算机组成原理

4、计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理暂时存放由内存读出或暂时存放由内存读出或写入的数据写入的数据保存由算术和逻辑指令的保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码结果建立的各种条件码确定下一条确定下一条指令的地址指令的地址保存当前正在执保存当前正在执行的一条指令行的一条指令对对IR中的中的指指令操作码进令操作码进行译码分析行译码分析控制数据通路、启控制数据通路、启停部件操作停部件操作保存当前保存当前CPU所访问所访问的内存单元的地址的内存单元的地址为为ALU提供一个工作区。即存放提供一个工作区。即存放ALU运算的操作数和结果信息。运算的操作数和结果信息。保存数据保存数据保存指令保存指令计算

5、机组成原理计算机组成原理5.1.35.1.3CPUCPU中的主要寄存器中的主要寄存器 数据缓冲寄存器（DR）暂时存放由内存读出或写入的数据指令寄存器（IR）保存当前正在执行的一条指令程序计数器（PC）确定下一条指令的地址地址寄存器（AR）保存当前CPU所访问的内存单元的地址通用寄存器（R0R3）为ALU提供一个工作区。即存放ALU运算的操作数和结果信息。 状态条件寄存器（PSW）保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码，如运算结果进位标志C，运算结果溢出标志V等等。计算机组成原理计算机组成原理5.1.4 5.1.4 操作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器 数据通路： 是许多寄存器之间传

6、送信息的通路。操作控制器的功能: 根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。根据设计方法不同，操作控制器可分为： 硬布线控制器微程序控制器时序产生器：产生计算机所需要的时序控制信号采用采用时序逻辑时序逻辑技术来实现技术来实现 采用采用存储逻辑存储逻辑来实现来实现 计算机组成原理计算机组成原理5.25.2 指令周期指令周期 l5.2.1 指令周期的基本概念l5.2.2 MOV指令的指令周期l5.2.3 LAD指令的指令周期l5.2.4 ADD指令的指令周期l5.2.5 STO指令的指令周期l5.2.6 JMP指令的指令周期l5.2.7

7、 用方框图语言表示指令周期计算机组成原理计算机组成原理5.25.2 指令周期指令周期 指令的执行过程指令的执行过程取指令执行指令开始开始计算机组成原理计算机组成原理5.2.1 5.2.1 指令周期的基本概念指令周期的基本概念 指令周期指令周期 : : CPUCPU取出并执行一条指令的时间。取出并执行一条指令的时间。取指时间执行指令时间取指时间执行指令时间 CPU CPU周期周期 : : CPUCPU从指存读取一条指令字所需的最短时间，又从指存读取一条指令字所需的最短时间，又称机器周期（总线周期）称机器周期（总线周期） 。 时钟周期时钟周期 : : 通常称为通常称为节拍脉冲节拍脉冲或或T T周期

8、周期。一个。一个CPUCPU周期包含周期包含若干个若干个T T周期。周期。（节拍的宽度取决于（节拍的宽度取决于CPUCPU完成一次基本的微操作的时间完成一次基本的微操作的时间 ） 相互关系相互关系： 1 1个指令周期个指令周期 = = 若干个若干个CPUCPU周期周期 1 1个个CPUCPU周期周期 = = 若干若干T T周期周期 计算机组成原理计算机组成原理101MOVR0,R1；（R1）R0102LADR1,6；（6）R1103ADDR1,R2；（R1）+（R2）R2104STOR2,(R3)；R2(R3)105JMP101；101PC106ANDR1,R3 61005 5条典型指令构成的

9、简单程序条典型指令构成的简单程序指令地址指令地址 指令助记符指令助记符计算机组成原理计算机组成原理5.2.2 MOV5.2.2 MOV指令的指令周期指令的指令周期MOV R0, R1是一条RR指令计算机组成原理计算机组成原理MOVMOV指令的指令周期指令的指令周期取指取指 计算机组成原理计算机组成原理MOVMOV指令的指令周期指令的指令周期执行执行 play计算机组成原理计算机组成原理5.2.3 LADLAD指令的指令周期指令的指令周期一个CPU周期 一个CPU周期取指令阶段取指令阶段执行指令阶段执行指令阶段开始开始取指令取指令PC+1对指令对指令译码译码送操作送操作数地址数地址取下条指令取下

10、条指令PC+1取出操取出操作数作数装入通用装入通用寄存器寄存器一个CPU周期LAD R1, 6是一条RS指令计算机组成原理计算机组成原理LADLAD指令的指令周期指令的指令周期执行执行 play计算机组成原理计算机组成原理5.2.45.2.4 ADDADD指令的指令周期指令的指令周期ADD R1, R2是一条RR指令计算机组成原理计算机组成原理ADDADD指令的指令周期指令的指令周期执行执行 play计算机组成原理计算机组成原理5.2.5 5.2.5 STOSTO指令的指令周期指令的指令周期STO R2, (R3)是一条RS指令计算机组成原理计算机组成原理play计算机组成原理计算机组成原理5

11、.2.65.2.6 JMP JMP指令的指令周期指令的指令周期JMP 101计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理play计算机组成原理计算机组成原理5.2.75.2.7用方框图语言表示指令周期用方框图语言表示指令周期 l方框：代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。 l菱形：通常用来表示某种判别或测试。时间上依附于紧接的前面一个CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。1个CPU周期1个CPU周期1个CPU周期公操作公操作符号。表示一条指令已执行完毕，符号。表示一条指令已执行完毕，CPU取下一条指令或处理外设请求。取下一条指令或处理外设请求。ABUS

12、：地址总线：地址总线DBUS：数据总线：数据总线IBUS：指令总线：指令总线计算机组成原理计算机组成原理【例1】下图所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器(具有自增功能)，M为主存(受R/W信号控制)既存放指令又存放数据，AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器，ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例中yi表示y寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。(1)“ADDR2，R0”指令完成(R0)+(R2)R0的功能，画出其指令周期流程图（设指令地址已放入

13、PC中），并列出相应的微操作控制信号序列。(2)“SUBR1，R3”指令完成(R3)-(R1)R3的操作，画出其指令期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。 计算机组成原理计算机组成原理PCo，G，ARiPCARMDRDRIRR2YR0XY+XR0R/W=RDRo，G，IRiR2o，G，YiR0o，G，Xi+，G，R0i取指（1）加法“ADDR2，R0”PCo，G，ARiPCARMDRDRIRR3YR1XYXR3R/W=RDRo，G，IRiR3o，G，YiR1o，G，Xi，G，R3i（2）减法“SUBR1，R3”计算机组成原理计算机组成原理5.35.3 时序产生器和控制方式时序产生器和控制方

14、式 l5.3.1 时序信号的作用和体制l5.3.2 时序信号产生器l5.3.3 控制方式计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理5.35.3 时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式 用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那么CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢? 从时间上来说从时间上来说: 取指发生在指令周期的第一个取指发生在指令周期的第一个CPU周期周期; 取数发生在后面几个取数发生在后面几个CPU周期，即周期，即 “执行指令执行指令”阶段。阶段。 从空间上来说从空间上来说: 送指令寄存器送指令寄存器IR 指令指令 送送运算器运算器 数据数据。 思考思考 计算机组成原理

15、计算机组成原理5.3 5.3 时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式 5.3.1 时序信号的作用和体制时序信号的作用和体制时序信号时序信号CPU中一个类似“作息时间”的东西，使计算机可以准确、迅速、有条不紊地工作。机器一旦被启动，即CPU开始取指令并执行指令时，操作控制器就利用定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，有条理、有节奏地指挥机器的动作.规定在这个脉冲到来时做什么，在那个脉冲到来时又做什么，给计算机各部分提供工作所需的时间标志。计算机组成原理计算机组成原理5.3.15.3.1时序信号的作用和体制时序信号的作用和体制 计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则用计算机的协调动作需要时间标志，

16、而时间标志则用时序信号来体现。时序信号来体现。 l主状态周期（指令周期）：包含若干个节拍周期，l节拍电位（机器周期、cpu周期）：表示一个CPU 周期的时间，包含若干个节拍脉冲。l节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时间单位。 硬布线控制器 时序信号采用主状态周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制。 微程序控制器 时序信号一般采用节拍电位-节拍脉冲二级体制。计算机组成原理计算机组成原理 IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4 IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4MERQIORQRDWR 提供频率稳定且电平匹配提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号的方波时钟脉冲信号 由

17、石英晶体振荡器组成由石英晶体振荡器组成产生一组有序的间隔相等产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列或不等的脉冲序列启动停机5.3.25.3.2时序信号产生器时序信号产生器 启停控制逻辑启停控制逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑环形脉冲发生器环形脉冲发生器时钟脉冲源时钟脉冲源微程序控制器的时序信号产生器微程序控制器的时序信号产生器 (节拍电位节拍电位- -节拍脉冲节拍脉冲)译码产生原始的节拍译码产生原始的节拍脉冲和读写时序信号脉冲和读写时序信号控制节拍脉冲和读写时序信号的发送。启动状态，输控制节拍脉冲和读写时序信号的发送。启动状态，输出出CPU真正需要的节拍脉冲和读写时序信

18、号真正需要的节拍脉冲和读写时序信号计算机组成原理计算机组成原理CPUCPU周期周期CPUCPU周期周期节节拍拍脉脉冲冲信信号号计算机组成原理计算机组成原理启停控制逻辑启停控制逻辑 运行标志运行标志触发触发器器Cr 当计算机启动时，一当计算机启动时，一定要从第定要从第1个节拍脉冲个节拍脉冲前沿开始工作。前沿开始工作。 停机时一定要在第停机时一定要在第4个节拍脉冲结束后关个节拍脉冲结束后关闭时序产生器。闭时序产生器。计算机组成原理计算机组成原理5.3.35.3.3控制方式控制方式 控制器的控制方式：控制不同操作序列时序信号的方法。1. 1. 同步控制方式同步控制方式已定的指令在执行时所需的已定的指

19、令在执行时所需的CPU周期（机器周期）数和周期（机器周期）数和时钟周期数都固定不变。时钟周期数都固定不变。2. 2. 异步控制方式异步控制方式控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发作后发“回答回答”信号，再开始新的操作。信号，再开始新的操作。3. 3. 联合控制方式联合控制方式 同步控制和异步控制相结合的方式。同步控制和异步控制相结合的方式。(1)(1)采用完全统一的机器周期执行采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。各种不同的指令。(2)(2)采用不定长机器周期。采用不定长机器周期。(3)(3)中央控制与局部控制结合。中央控制

20、与局部控制结合。情况（情况（1 1）：大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些时间）：大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些时间难以确定的操作则以执行难以确定的操作则以执行 “ “回答回答”信号作为本次操作的结束；信号作为本次操作的结束；情况（情况（2 2）：机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器）：机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器周期数不固定。周期数不固定。计算机组成原理计算机组成原理5.4 5.4 微程序控制器微程序控制器l发展发展微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的MVWilkesMVWilkes教教授于授于1951

21、1951年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的。年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的。到到19641964年，年，IBMIBM公司在公司在IBM 360IBM 360系列机上成功地采用了微程系列机上成功地采用了微程序设计技术。序设计技术。2020世纪世纪7070年代以来，由于年代以来，由于VLSIVLSI技术的发展，推动了微程序技术的发展，推动了微程序设计技术的发展和应用。设计技术的发展和应用。目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技术。计技术。计算机组成原理计算机组成原理5.4 5.4 微程序控制器微程序控制器 利用利用软

22、件方法软件方法（微程序设计技术微程序设计技术）来设计硬件）来设计硬件 微程序控制的微程序控制的基本思想基本思想：把操作控制信号编成把操作控制信号编成 “微指令微指令”，存放到控，存放到控制存储器制存储器CM中。中。当机器运行时，逐条读出微指令，产生全机当机器运行时，逐条读出微指令，产生全机所需要的各种操作控制信号，启停相应部件。所需要的各种操作控制信号，启停相应部件。计算机组成原理计算机组成原理5.4 5.4 微程序控制器微程序控制器l5.4.1 微程序控制原理l5.4.2 微程序设计技术 计算机组成原理计算机组成原理控制器运算器、存储器、外围设备(IO设备)1 1 微命令和微操作微命令和微操

23、作 l数字计算机可以分为：控制部件和执行部件控制器IO设备主存运算器+WRReadyV控制线状态线控制部件与执行部件通过控制线和反馈信息进行联系。控制部件与执行部件通过控制线和反馈信息进行联系。 微命令微命令微操作微操作微操作微操作微操作微操作计算机组成原理计算机组成原理5.4.1 5.4.1 微命令和微操作微命令和微操作 微命令：微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。控制命令。 微操作：微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。执行部件接受微命令后所进行的操作。 微操作可分为微操作可分为相容性相容性和和相斥性相斥性两种。两种。在同时或同

24、一个在同时或同一个CPUCPU周期周期内可以并行执行的微操作内可以并行执行的微操作不能在同时或同一个不能在同时或同一个CPUCPU周期内并行执行的微操作周期内并行执行的微操作 ALU的的“+”、“”、“M”（传送）为互斥微操（传送）为互斥微操作。作。 通常，只有通常，只有不同不同部件上的微操作，才可能相容！部件上的微操作，才可能相容！计算机组成原理计算机组成原理5.4.1 5.4.1 微命令和微操作微命令和微操作相斥性相斥性进位触发器进位触发器多路开关的多路开关的控制信号控制信号相斥性相斥性时钟输入时钟输入相容性相容性play计算机组成原理计算机组成原理2 2微指令和微程序微指令和微程序 l微

25、指令：在一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合。 l微程序：实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。 指令系统所有指令；指令系统所有指令；指令微程序；指令微程序；微程序若干微指令；微程序若干微指令；微指令一组微命令；微指令一组微命令；微命令微命令微操作微操作nn22n2n21111微程序机器指令微程序机器指令微指令微指令完成一组微操作）微命令、微命令（微命令微指令微程序机器指令程序计算机组成原理计算机组成原理微指令的格式发出控制全机工作的控制信号。发出控制全机工作的控制信号。 每一位表示一个微命令。每一位表示一个微命令。 “ “1” 1” 发出微命令；发出微命令； “0”

26、0” 不发出微命令。不发出微命令。用来决定产生下一条用来决定产生下一条微指令的地址。微指令的地址。判别测试标志判别测试标志微命令信号都是节拍电位信号微命令信号都是节拍电位信号计算机组成原理计算机组成原理微程序控制器原理框图微程序控制器原理框图 l微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。 play 只读存储器只读存储器 存放实现全部指令系统的微程序。存放实现全部指令系统的微程序。决定将要访问的下决定将要访问的下一条微指令的地址一条微指令的地址 保存一条微指令的操作控制保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息字段和判别测试字段的信息 存放由控制存储器读出的一条

27、微指令信息。存放由控制存储器读出的一条微指令信息。分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。 通过判别测试字段通过判别测试字段P和和执行部件的执行部件的“状态条状态条件件”反馈信息，修改反馈信息，修改微地址寄存器的内容微地址寄存器的内容 计算机组成原理计算机组成原理微程序举例微程序举例十进制加法十进制加法 l在十进制运算时,当相加二数之和大于9时,便产生进位。而采用BCD码后，当相加的和数大于9时，结果不正确，必须加6修正后才能得出正确的结果。算法：算法：先将和数加先将和数加6，然后判别结果有无进位：，然后判别结果有无进位： 当当Cy1，结果不变；当，结果不变

28、；当Cy0，结果减，结果减6。取指取指判别测试，修改微判别测试，修改微地址寄存器内容地址寄存器内容abab6测试进位测试进位标志标志Cyab66计算机组成原理计算机组成原理 第一条微指令的二进制编码是0000000000001111010 0000为取加法机器指令的微指令有5个微命令构成：第16位发出PCAR第13位发出指存读命令RD第14位将读取的指令打入DR第15位将DR数据打入IR第18位发出P1测试（测试结果下一条地址为1010）计算机组成原理计算机组成原理5.4.4 5.4.4 微程序举例微程序举例第二条微指令的二进制编码是01010010010000000001001为完成R1R2

29、R2微指令有4个微命令构成：第4位发出R1X第7位发出R2Y第10位发出R1R2第2位发出结果写回R2下一条微指令地址为1001计算机组成原理计算机组成原理第三条微指令的二进制编码是01000100110000000010000为完成R2R3R2微指令有5个微命令构成：第6位发出R2X第9位发出R3Y第10位发出R2R3第2位发出结果写回R2第19位表明进行P2测试，测试条件为进位标识Cy，如果Cy1下一条微指令地址为0000，如果Cy0，下一条地址为0001.计算机组成原理计算机组成原理Cy0执行第四条微指令01000100100100000000000为完成R2R3R2微指令有5个微命令构

30、成：第6位发出R2X第9位发出R3Y第12位发出R2R3第2位发出结果写回R2下一条微指令地址为0000计算机组成原理计算机组成原理CPUCPU周期与微指令周期的关系周期与微指令周期的关系 微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时间 =1=1个个cpu周期图图5.26 CPU周期与微指令周期的关系周期与微指令周期的关系T4T3T2T1微指令计算机组成原理计算机组成原理机器指令与微指令的关系机器指令与微指令的关系 l(1)一条机器指令对应一个微程序，这个微程序由若干条微指令序列组成。l(2)从指令与微指令、程序与微程序、地址与微地址的对应关系看，前者与内存有关，后者与控制存储器有

31、关。l(3)每一个CPU周期对应一条微指令。计算机组成原理计算机组成原理程序计数器程序计数器PC地址寄存器地址寄存器AR缓冲寄存器缓冲寄存器DR指令寄存器指令寄存器IR微地址寄存器微地址寄存器AR微指令寄存器微指令寄存器IR主存储器主存储器控制存储器控制存储器CM微命令微命令地址译码器地址译码器地址译码地址译码机器指令级机器指令级微指令级微指令级OP计算机组成原理计算机组成原理5.4.2 5.4.2 微程序设计技术微程序设计技术一、设计微指令应当追求的目标一、设计微指令应当追求的目标有利于缩短微指令的长度有利于缩短微指令的长度有利于缩小有利于缩小CMCM的容量的容量有利于提高微程序的执行速度有

32、利于提高微程序的执行速度有利于对微指令的修改有利于对微指令的修改有利于提高微程序设计的灵活性有利于提高微程序设计的灵活性计算机组成原理计算机组成原理5.4.2 5.4.2 微程序设计技术微程序设计技术 l直接表示法l编码表示法l混合表示法操作控制字段的每一位代表一个微命令！操作控制字段的每一位代表一个微命令！优点：简单、直观、微指令执行速度快。优点：简单、直观、微指令执行速度快。缺点：控存容量需求大。缺点：控存容量需求大。 n位，最多代表位，最多代表2n -1个微命令。个微命令。优点：缩短了微指令字的长度。优点：缩短了微指令字的长度。缺点：字段需译码，才得到微命令信号缺点：字段需译码，才得到微

33、命令信号字段1字段2 P字段下地址译码译码译码 微命令微命令 微命令微命令 P1 Pn直接表示和编码表直接表示和编码表示相结合示相结合1.1.微命令编码微命令编码操作控制字段采用的表示方法操作控制字段采用的表示方法计算机组成原理计算机组成原理2 2 微地址的形成方法微地址的形成方法l计数器方式l多路转移方式 微地址寄存器有计数器功能。微地址寄存器有计数器功能。 顺序执行的微指令序列必须在控制存储顺序执行的微指令序列必须在控制存储器的连续单元中。器的连续单元中。 微指令的微指令的P字段中，某位为字段中，某位为1 ，就要修，就要修改改“下地址下地址”字段，产生正确的下地址。字段，产生正确的下地址。

34、 P字段有字段有n位，可产生位，可产生2n路转移。路转移。计算机组成原理计算机组成原理3 3 微指令格式微指令格式l水平型微指令l垂直型微指令控制字段控制字段判别测试字段判别测试字段下地址字段下地址字段全水平型微指令全水平型微指令字段译码法水平型微指令字段译码法水平型微指令直接和译码相混合的水平型微指令直接和译码相混合的水平型微指令一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令类似机器指令的格式，例RR传送型微指令：微操作码经译码，得到微命令。000源寄存器编址源寄存器编址目标寄存器编址目标寄存器编址其他其他15 13 12 8 7 3 2 0计算机组成原

35、理计算机组成原理3. 3. 水平型微指令与垂直型微指令的比较水平型微指令与垂直型微指令的比较(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则较差。(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。(3)由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。计算机组成原理计算机组成原理4 4 动态微程序设计动态微程序设计 微程序设计技术有静态微程序设计静态微程序设计和动动态微程序设计态微程序设计之分。1. 静态微程序设计静态微程序设计对应于一台计算机

36、的机器指令只有一组微程序，而且这一组微程序设计好之后，一般无须改变而且也不好改变，这种微程序设计技术称为静态微程序设计。计算机组成原理计算机组成原理当采用E2PROM作为控制存储器时,还可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计。采用动态微程序设计时，微指令和微程序可以根据需要加以改变，因而可在一台机器上实现不同类型的指令系统。这种技术又称为仿真其他机器指令系统仿真其他机器指令系统，以便扩大机器的功能。4 动态微程序设计动态微程序设计 计算机组成原理计算机组成原理5.5 硬布线控制器l电子计算机诞生后，控制器采用硬布线实现。l基本思想：某一微操作控制信

37、号是指令操作码译码输出、时序信号和状态条件信号的逻辑函数，即用布尔代数写出逻辑表达式，然后用门电路和触发器等器件实现。 l非常复杂！l增加一条指令，需要重新设计整个硬布线逻辑电路。计算机组成原理计算机组成原理硬布线控制器的结构方框图硬布线控制器的结构方框图C = f ( Im, Bi, Tk, Mi ) immjkinIBTMC)(硬布线，需要很硬布线，需要很强的数理逻辑电强的数理逻辑电路设计技术！路设计技术！图5.31 硬布线控制器结构方框图计算机组成原理计算机组成原理5.7 流水CPUl5.7.1 并行处理技术l5.7.2 流水CPU的结构l5.7.3 流水线中的主要问题l5.7.4 奔腾

38、CPU计算机组成原理计算机组成原理并行性的两种含义l同时性两个或多个事件同时发生。l并发性两个或多个事件在同一时段内先后发生。事件事件1 1事件事件2 2事件事件1 1事件事件2 2t计算机组成原理计算机组成原理并行处理的三种形式时间并行空间并行时间并行+空间并行流水流水CPUCPU是以时间并行性为原理构造的处理器是以时间并行性为原理构造的处理器计算机组成原理计算机组成原理1. 时间并行时间并行时间并行指时间重叠，在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。时间并行性概念的实现方式就是采用流流水处理部件水处理部件

39、。这是一种非常经济而实用的并行技术，能保证计算机系统具有较高的性能价格比。目前的高性能微型机几乎无一例外地使用了流水技术。计算机组成原理计算机组成原理2. 空间并行空间并行空间并行指资源重复，在并行性概念中引入空间因素，以“数量取胜”为原则来大幅度提高计算机的处理速度。空间并行技术主要体现在多处理器系统和多计算机系统。但是在单处理器系统中也得到了广泛应用。3. 时间并行时间并行+空间并行空间并行指时间重叠和资源重复的综合应用，既采用时间并行性又采用空间并行性。显然，第三种并行技术带来的高速效益是最好的。Pentium中采用了超标量流水线技术计算机组成原理计算机组成原理流水计算机的系统组成多体交

40、叉存储器多体交叉存储器cache指令部件指令部件(指令指令I+k+1)(指令指令I+k)(指令指令I+2)(指令指令I+1)执行部件执行部件(指令指令I)存储系统存储系统流水流水CPUCPU取指令取指令指令译码指令译码计算操作数地址计算操作数地址取操作数取操作数FIFO指令队列指令队列运算流水线运算流水线用流水线实现用流水线实现用流水线实现用流水线实现计算机组成原理计算机组成原理流水线的表示法连接图l用方框表示过程段，箭头表示段间数据传送。l以指令流水线为例，l段间有缓冲寄存器，暂存前一段的结果；l一个流水线由一系列串联的过程段组成。S2S3S4S1IFIDEXWB入入出出计算机组成原理计算机

41、组成原理非流水的指令流水线8 8时钟后，完成时钟后，完成2 2条指令。条指令。I1I2I1I2I1I2I1I2空间空间IFIFIDIDEXEXWBWB时间时间12345678时空图时空图横轴表示时间，纵轴表示空间。横轴表示时间，纵轴表示空间。计算机组成原理计算机组成原理标量流水线标量流水线l假设连续5条指令进入流水线I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5空间空间IFIFIDIDEXEXWBWB时间时间123456788 8时钟后，完成时钟后，完成5 5条指令。条指令。装满时间装满时间排空时间排空时间S2S3S4S1IFIDEXWB入入出出计算机组成原理

42、计算机组成原理什么是超标量流水处理器l标量指单个量；l向量指一组标量；l只有一套指令流水线的CPU称为标量流水CPU；l有多套指令流水线的CPU称为超标量流水CPU。l超标量流水计算机是时间并行与空间并行的结合。计算机组成原理计算机组成原理超标量流水线CPU装满后，每个时钟完成装满后，每个时钟完成2 2条指令。条指令。I2I4I6I8I10空间空间IF1IF1时间时间12345678I1I3I5I7I9IF2IF2I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9ID1ID1ID2ID2EX1EX1EX2EX2WB1W

43、B1WB2WB2play计算机组成原理计算机组成原理流水线分类l算术流水线流水加法器、流水乘法器、流水浮点加法器。l指令流水线包括“取指”、“译码”、“取操作数”、“执行”、“写回”等过程段。l处理机流水线(宏流水线)出出入入CPU1CPU2CPUm程序程序1程序程序2程序程序m计算机组成原理计算机组成原理5.8.3 流水线中的主要问题l流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。 l资源相关l数据相关 l控制相关 多条指令在同一多条指令在同一CPU周期内争用同一个功能部件周期内争用同一个功能部件等待等待前面指令完成前面指令完成操作数操作数的的读或写读或写。由转移指令引起由转移指令引起

44、 计算机组成原理计算机组成原理资源相关l多条指令在同一CPU周期内争用同一个段。时钟12345678I1IFIDEXMEMWBI2IFIDEXMEMWBI3IFIDEXMEMWBI4IFIDEXMEMWBI5IFIDEXMEMI1和和I4同时访存同时访存计算机组成原理计算机组成原理解决资源相关冲突的办法解决资源相关冲突的办法：l (1) (1) 第第I4I4条指令停顿一拍后再启动；条指令停顿一拍后再启动；l (2) (2) 增设一个存储器，将指令和数据分别增设一个存储器，将指令和数据分别放在两个存储器中。放在两个存储器中。 计算机组成原理计算机组成原理数据相关l等待前面指令完成操作数的读或写。

45、ADDR1,R2,R3;(R2)(R3)R1SUBR4,R1,R5;(R1)(R5)R4ANDR6,R1,R7;(R1)(R7)R6时钟12345678ADDIFIDEXMEMWBSUBIFIDEXMEMWBANDIFIDEXMEMWBT3读读R1T4读读R1T5写写R1 写写R1之前，之前，读读R1，错！，错！ 写写R1之前，之前，读读R1，错，错！计算机组成原理计算机组成原理例4(1)：判断下面两条指令中的数据相关类型。ADDR1,R2,R3;(R2)(R3)R1SUBR4,R1,R5;(R1)(R5)R4正确：写R1，然后读R1。实际：读R1，然后写R1。这是写后读(RAW)相关。时钟时

46、钟T5T5，写，写时钟时钟T3T3，读，读计算机组成原理计算机组成原理例4(2)：判断下面两条指令中的数据相关类型。STOM(x),R3;(R3)M(x)ADDR3,R4,R5;(R4)(R5)R3正确：读R3，然后写R3。实际：写R3，然后读R3。这是读后写(WAR)相关。计算机组成原理计算机组成原理例4(3)：判断下面两条指令中的数据相关类型。MULR3,R1,R2;(R1)(R2)R3ADDR3,R4,R5;(R4)(R5)R3正确：写R3，然后写R3。实际：写R3，然后写R3。这是写后写(WAW)相关。乘法时间远比加乘法时间远比加法时间长！法时间长！解决办法：解决办法：可以推后后继指令

47、对相关单元的操作可以推后后继指令对相关单元的操作计算机组成原理计算机组成原理控制相关l紧跟转移指令的后续指令要不要执行？l确定要转移时，后面的一条或多条指令已进入流水线；l若流水线为k段，转移指令与后面的k-1条指令发生控制相关。l为了减小转移指令对流水线性能的影响，常用以下两种转移处理技术：(1)延迟转移法(2)转移预测法计算机组成原理计算机组成原理延迟转移法l如果转移指令之后的指令最终要执行，而且它们与转移指令的结果无关，则允许它们继续前进。转移指令转移指令S1S2S3S4S5S6S7S8输入输入输出输出 b5 b4 b3 b2 b1 b b1 b2转移的目标指令在转移的目标指令在b+5后

48、送流水线后送流水线延迟：不是时间延迟，而是指指令延迟：不是时间延迟，而是指指令执行顺序上目标指令被推延了。执行顺序上目标指令被推延了。计算机组成原理计算机组成原理转移预测法l设置两个指令队列(指令cache)。一个是转移不成功时顺序预取指令的队列；一个是转移成功时从目标地址预取指令的队列。l当能确定转移方向时，直接从相应队列中取指令。计算机组成原理计算机组成原理2022年3月14日17时01分 Pentium是Intel公司生产的超标量流水处理器，早期使用5V工作电压，后期使用3.3V工作电压。主要参数如下：l主频：CPU的主频时钟频率是CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。一般

49、来说，主频越高，单位时间内完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。例如Pentium III 667l外频：CPU的外部时钟频率指CPU与周边设备传输数据的基准频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。例如：60MHz、66MHz。l倍频：CPU的主频与外频之间存在着一个比值关系，这个比值就是倍频系数，简称倍频。倍频可以从1.5一直到23以至更高 。例如：4Xl前端总线（FSB）频率 ：指的是CPU和北桥芯片间总线的速度（内存）也是外频与倍频的乘积。例如：1333 MHzl制作工艺：在生产CPU过程中，要进行加工各种电路和电子元件，制作工艺是指连接各个元器件电路的间距。通常其生产的精度

50、以微米和纳米来表示，数值越小，生产工艺越先进。集成度越高，CPU的功耗也越小。例如 32纳米5.7.4 Pentium CPU计算机组成原理计算机组成原理2022年3月14日17时01分lCPU内部的主要寄存器宽度为32位，故认为它是一个32位微处理器。但它通向存储器的外部数据总线宽度为64位。lCPU支持多种类型的总线周期，其中一种称猝发模式，在此模式下，可在一个总线周期内读出或与入256位(32字节)的数据。lCPU外部地址总线宽度是36位，但一般使用32位宽，故物理地址空间为4096MB(4GB)。lCPU内部分别设置指令cache和数据cache，外部还可接L2cache。CPU采用U

51、，V两条指令流水线，能在一个时钟周期内发射两条简单的整数指令，也可发射一条浮点指令。l操作控制器采用硬布线控制和微程序控制相结合的方式。大多数简单指令用硬布线控制实现，在一个时钟周期内执行完毕。对微程序实现的指令，也在23个时钟周期内执行完毕。计算机组成原理计算机组成原理2022年3月14日17时01分l具有非固定长度的指令格式l9种寻址方式，191条指令但是在每个时钟周期又能执行两条指令。l因此它具有CISC和RlSC两者的特性，不过具有的CISC特性更多一些，因此被看成为一个CISC结构的处理器。以CISC结构实现超标量流水线.Pentium指令集计算机组成原理计算机组成原理2022年3月

52、14日17时01分(1)超标量流水线 (2)指令cache和数据cache (3)浮点运算部件(4)动态转移预测技术奔腾CPU的结构（请参见教材）。其特点：计算机组成原理计算机组成原理3.pentium4 CPUu是对pentium CPU 进一步改进和发展。u处理器以静态程序的顺序由存储器取指令u每条指令译成一个或多个定长的RISC指令，实际上是微指令u采用20段的超标量流水线计算机组成原理计算机组成原理2022年3月14日17时01分5.8 RISC CPURISC的三个要素是：l(1)一个有限的简单的指令集；l(2)CPU配备大量的通用寄存器；l(3)强调对指令流水线的优化。计算机组成原

53、理计算机组成原理2022年3月14日17时01分基于三要素的RISC机器的特征是：l(1)使用等长指令，目前的典型长度是4个字节。l(2)寻址方式少且简单，一般为23种，最多不超过4种，绝不出现存储器间接寻址方式。 l(3)只有取数指令、存数指令访问存储器。指令中最多出现RS型指令，绝不出现SS型指令。 l(4)指令集中的指令数目一般少于100种，指令格式一般少于4种。l(5)指令功能简单，控制器多采用硬布线方式，以期更快的执行速度。 计算机组成原理计算机组成原理2022年3月14日17时01分l(6)平均而言，所有指令的执行时间为一个处理时钟周期。 l(7)指令格式中用于指派整数寄存器的个数

54、不少于32个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于16个。 l(8)强调通用寄存器资源的优化使用。 l(9)支持指令流水并强调指令流水的优化使用。 l(10)RlSC技术的复杂性于它的编译程序，因此软件系统开发时间比CISC机器长。计算机组成原理计算机组成原理RISC简单，精简一般小于100一般小于4一般小于4比较内容指令系统指令数目指令格式寻址方式指令字长CISC复杂，庞大一般大于200一般大于4一般大于4不固定等长只有LOAD/STORE指令相差不大绝大多数在一个周期内完成较容易较长绝大多数为硬布线控制可访存指令各种指令使用频率各种指令执行时间优化编译实现程序源代码长度控制器实现方式软件系统开

55、发时间不加限制相差很大相差很大很难较短绝大多数为微程序控制较短较长RISC与CISC的主要特征对比计算机组成原理计算机组成原理5.8.2 RISC CPU实例 MC 88110 CPU1. MC 88110 CPU结构框图结构框图MC88110CPU是一个RISC处理器。处理器有12个执行功能部件，3个cache和1个控制部件。其结构框图如下所示。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理2. MC 88110的指令流水线由于MC88110是超标量流水CPU，所以指令流水线在每个机器时钟周期完成两条指令。流水线共分为三段：取指和译码取指和译码(FD)段、执行段、执行(EX)段、写

56、回段、写回(WB)段段。计算机组成原理计算机组成原理3. 指令动态调度策略88110采用按序发射、按序完成按序发射、按序完成的指令动态调度策略，其策略步骤如下：指令派遣单元总是发出单一地址，然后从指令cache取出此地址及下一地址的两条指令。译码后总是力图同一时间发射这两条指令到EX段。若这对指令的第一条指令由于资源冲突或数据相关冲突，则这一对指令都不发射，两条指令在FD段停顿等待资源的可用或数据相关的消除。1. 若是第一条指令能发射第二条指令不能发射则只发射第一条指令，而第二条指令停顿并与新取的指令之一进行配对发射，此时原第二条指令作为配对的第一条指令对待。这样的方式是按序发射。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理l例例5.5.超标度为超标度为2 2的超标量流水线结构模型如图的超标量流水线结构模型如图5.39(a)5.39(a)所示。它分为所示。它分为4 4个段，即取指个段，即取指(F)(F)段、段、 译码译码(D)(D)段、段、执行执行(E)(E)段和写回段和写回(W)(W)段。段。F F，D D，W W 段只需段只需1 1个时钟周个时钟周期完成。期完成。E E段有多个功能部件，其中段有多个功能