第六章 CPU与控制器

1、3种组织方法 (1) 常规组合逻辑法(或称随机逻辑法)；分立元件时代的产物；方法是按逻辑代数的运算规则，以组合电路最小化为原则，用逻辑门电路实现；不规整，可靠性低，造价高。 (2) 可编程逻辑阵列(PLA)法；与前者本质相同，工艺不同；用大规模集成电路(LSI)来实现。(3)微程序控制逻辑法。将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑；将各种操作控制信号以编码信息字的形式存入控制存储器中（CM）；一条机器指令对应一道微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行的过程。控制器的组成一、指令部件指令部件应包括程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器（ID）、程序状态寄存器（PSW）和地址形成部

2、件等5个部分。去内存取指令或取数据对各功能部件产生控制PSW地址形成部件时序部件OC译码器PC微操作信号产生器.ACOC微程序控制技术在现今计算机设计中得到广泛的采用，其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑。1、微程序控制技术被广泛应用的原因l物质基础：ROMl灵活性l提高了可靠性，可利用性及可维护性(简称RAS技术)，大大优化了硬件控制技术。l有利于机器设计时的仿真。也就是说，在M1机器上使用M2机器语言编写程序并运行，从用户角度来看，M1和M2无区别，要能做到这一点，只有机器具有控存CM的微程序设计结构才行。l其他（反映在以下几方面的优点）6.3.2 微程序控制器的基本结构和工作过

3、程微程序控制器的基本结构和工作过程6.3.2 微程序控制器的基本结构和工作过程微程序控制器的基本结构和工作过程二、工作过程微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的控制之下，计算机执行机器指令的过程：1、从控制存储器中运行取指令微程序，完成从主存储器中取得机器指令的工作；2、根据机器指令的操作码，得到相应机器指令的微程序入口；3、逐条取出微指令，完成相关微操作控制；4、执行下一条机器指令。6.4.1 微指令编译法微指令编译法6.4.1 微指令编译微指令编译法法6.5.1 时序与节拍第第1批批洗涤洗涤第第1批批清洗清洗第第1批批甩干甩干第第2批批洗涤洗涤第第2批批清洗清洗第第2批批甩干甩干

4、第第3批批洗涤洗涤第第3批批清洗清洗第第3批批甩干甩干3批衣服的整个工作时间为批衣服的整个工作时间为3*3*5=45分钟分钟第二种：重叠工作方式，设计三个部件，可以同时工作，每个部件只做一样工作，操作方式如下图：第第1批洗涤批洗涤第第1批清洗批清洗第第1批甩干批甩干第第2批洗涤批洗涤 第第2批清洗批清洗第第2批甩干批甩干第第3批洗涤批洗涤第第3批清洗批清洗第第3批甩干批甩干Tdtdtdtdtdt3批衣服的工作时间为6*5=30分钟，节省15分钟。引出下述关于洗衣机工作的有关性能特点：吞吐率：单位时间内完成的任务数TP=n/T加速比：串行方式与流水线方式的时间比：上述为 45/30=1.5效率：

5、即洗衣机的利用率，上述洗衣机的效率是9/15=3/5将一条指令的执行分为几个阶段，让几条指令按流水将一条指令的执行分为几个阶段，让几条指令按流水线工作。这就引出了计算机中的流水线技术。线工作。这就引出了计算机中的流水线技术。niiiitttT1(）执行分析取指令取指令k 分析k 执行k 取指令k+1 分析k+1执行k+1取指 分析 执行取指 分析 执行取指 分析 执行取指k+2 分析k+2 执行k+2取指k+1 分析k+1 执行k+1取指k分析k执行k取指令译码执行保存结果t1t2t3t4取指形成操作数地址译码取操作数执行保存结果分析k分析k+1 分析k+2 分析k+3执行k执行k+1 执行k

6、+2 执行k+3时间空间0t1t2t3t4t5ED1时间空间0t1t2t3t4t5ED2 ED3 ED4 ED5EA1 EA2 EA3 EA4 EA5MA1 MA2 MA3 MA4 MA5NL1 NL2 NL3 NL4 NL5t6t7t8NL：规格化MA：尾数加EA：对阶ED：求阶差1时间空间S123 n-1 nS2S3S4123 n-1 n123 n-1 n123 n-1 nkt(n-1) tnt(k-1)tTtnknTP) 1(nTPLimnknttmax() 11),max() 1(211kkiitttntnTP ),max(121maxktttTP S1输入t1=tS2t2=3tS3t

7、3=tS4t4=t输出1时间空间S1S2S3S4Sti(n-1)t2Tk23 n123n123 n123 nS1输入输出tS2-1tS2-2tS2-3tS3tS4tS2(3t)S1输入输出t1=tS2-1S2-1S2-1S3S4t3=tt4=tt2=3t流水段重复设置的流水线1时间空间2 3nS1S2-14 5 614-2 -1n-225n-136n1 2 3n4 5 6-2 -11 2 3n4 5 6-2 -1S2-2S2-3S3S41) 1(nknktnktnkSSLimk nknknmax1K=6K=10任务个数加速比10246811 248 16 32 64 128Snttntttii

8、kiikk11121() max(, ,）kTkTknE0个流水段的总的时空区个任务占用的时空区1) 1(nkntnkktnkE11maxnknLimEn),max() 12111kkiikiitttntktnE （空区个流水段的总的加权时区个任务占用的加权时空knE ), ,max()121111nkiiikiIikiiitttntaatanE（kakii1tnknTP) 1(1nknkS1nknE1时间空间2 3求阶差45671 2 3 45671 2 3 45671 2 3 4567对阶尾数加规格化加数 A C E GA+BE+FB D F HC+DG+HA+B+C+DE+F+G+H结果

9、A+BC+DE+FG+HA+B+C+DE+F+G+HZ ZttTnTPk147015787115740ttTTSk470154740ttTkTEk流水线最佳段数的选择 流水线的最佳段数与流水线的延迟时间t与流水线本身的价格a的乘积平方根成正比，而与琐存器的延迟时间d及价格b的乘积的平方根成反比。即dbtak0在设计一条流水线时，可以根据该公式，在流水线的延迟时间t一定的情况下，通过调整流水线本身的价格a、琐存器的延迟时间d和琐存器的价格b来选择最佳流水线段数k0.6.7.1基本结构一般流水线处理机：一条指令流水线，一个多功能操作部件，每个时钟周期平均执行指令的条数小于1。多操作部件处理机：一条

10、指令流水线，多个独立的操作部件，操作部件可以采用流水线，也可以不流水。多操作部件处理机的指令级并行度小于1。超标量处理机典型结构：多条指令流水线、多个功能部件。先进的超标量处理机有：定点处理部件CPU，浮点处理部件FPU,图形加速部件GPU大量的通用寄存器，两个一级高速Cache超标量处理机的指令级并行度大于1整数部件整数部件位操作浮点加乘法部件除法部件图形部件图形部件内部总线读数存数部件通用寄存器堆扩展寄存器堆目标指令指令分配转移部件数据Cache (8KB)指令Cache (8KB)系统总线32位地址总线32位数据总线超标量处理机MC88110的结构6.7.2单发射与多发射IF时钟周期指令

11、I1I2I3IDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWR123456单发射处理机的指令流水线时空图IF：取指令 ID：指令译码 EX：执行指令 WR：写回结果IFIDFA1 FA2 FA3MD1 MD2 MD3ALLS浮点加法部件乘除法部件定点ALU部件取数存数部件WR来自指令Cache通用寄存器后行写数栈由4个操作部件组成的单发射处理机每个周期同时取多条指令、同时译码多条指令，同时执行多条指令，同时写回多个运算结果需要多个取指令部件，多个指令译码部件和多个写结果部件设置多个指令执行部件，复杂的指令执行部件一般采用流水线结构设计目标是每个时钟周期平均执行多条指令，ILP的期望值大于1多发射处理机的指令流水线时空图IF时钟周期指令I1I2I3IDEXWR123456I4I5I6IFIDEXWRI7I8I9IFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDEXWRIFIDFA1 FA2 FA3MD1 MD2 MD3ALLS浮点加法部件乘除法部件定点ALU部件取数存数部件WRIFIDWR超标量处理机：一个时钟周期内能够同时发射多条指令的处理机称为超标量处理机必须有两条