白中英第五版计算机组成原理第5章

计算机组成原理第5章中央处理器

5.1CPU的组成和功能 5.7流水CPU5.2

指令周期 5.8RISCCPU5.3时序产生器和控制方式 5.9多媒体CPU5.4微程序控制器5.5硬连线线控制器5.6传统CPU☆☆☆☆5.1CPU的组成和功能

5.1.1CPU的功能5.1.2CPU的基本组成5.1.3CPU中的主要寄存器5.1.4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任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为CPU（CentralProcessingUnit）5.1.1CPU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

CPU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★时间控制

对各种操作的实施时间进行定时★数据加工

对数据进行算术运算和逻辑运算处理控制器运算器5.1.2CPU的基本组成

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

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由运算器、cache和控制器三大部分组成。

暂时存放由内存读出或写入的数据保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码确定下一条指令的地址保存当前正在执行的一条指令对IR中的指令操作码进行译码分析控制数据通路、启停部件操作保存当前CPU所访问的内存单元的地址为ALU提供一个工作区。即存放ALU运算的操作数和结果信息。保存数据保存指令5.1.3CPU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（R0～R3）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。5.1.4操作控制器与时序产生器

数据通路：是许多寄存器之间传送信息的通路。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时序逻辑技术来实现

采用存储逻辑来实现

5.2

指令周期

5.2.1

指令周期的基本概念5.2.2

MOV指令的指令周期5.2.3

LAD指令的指令周期5.2.4

ADD指令的指令周期5.2.5

STO指令的指令周期5.2.6

JMP指令的指令周期5.2.7

用方框图语言表示指令周期5.2

指令周期指令的执行过程取指令执行指令开始5.2.1指令周期的基本概念

◆

指令周期

:

CPU取出并执行一条指令的时间。取指时间＋执行指令时间◆CPU周期

:

CPU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）。◆时钟周期

:

通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个T周期。（节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的时间）

相互关系：

1个指令周期=若干个CPU周期

1个CPU周期=若干T周期

101

MOVR0,R1；（R1）→R0102

LADR1,6；（6）→R1

103

ADDR1,R2；（R1）+（R2）→R2104

STOR2,(R3)；R2→(R3)105

JMP101；101→PC106ANDR1,R3……61005条典型指令构成的简单程序指令地址指令助记符5.2.2MOV指令的指令周期MOVR0,R1是一条RR指令MOV指令的指令周期——取指

MOV指令的指令周期——执行

play5.2.3LAD指令的指令周期一个CPU周期一个CPU周期取指令阶段执行指令阶段开始取指令PC+1对指令译码送操作数地址取下条指令PC+1取出操作数装入通用寄存器一个CPU周期LADR1,6是一条RS指令LAD指令的指令周期——执行

play5.2.4ADD指令的指令周期ADDR1,R2是一条RR指令ADD指令的指令周期——执行

play5.2.5STO指令的指令周期STOR2,(R3)是一条RS指令play5.2.6

JMP指令的指令周期JMP101play5.2.7用方框图语言表示指令周期

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。

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。ABUS：地址总线DBUS：数据总线IBUS：指令总线【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。

PCo，G，ARiPC→ARM→DRDR→IRR2→YR0→XY+X→R0R/W=RDRo，G，IRiR2o，G，YiR0o，G，Xi+，G，R0i取指（1）加法“ADDR2，R0”PCo，G，ARiPC→ARM→DRDR→IRR3→YR1→XY－X→R3R/W=RDRo，G，IRiR3o，G，YiR1o，G，Xi－，G，R3i（2）减法“SUBR1，R3”5.3

时序产生器和控制方式

5.3.1

时序信号的作用和体制5.3.2

时序信号产生器5.3.3

控制方式5.3

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:◆

取指发生在指令周期的第一个CPU周期;◆取数发生在后面几个CPU周期，即“执行指令”阶段。

从空间上来说:◆送指令寄存器IR—指令◆

送运算器—数据。

[思考]5.3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

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。5.3.1时序信号的作用和体制

计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则用时序信号来体现。

主状态周期（指令周期）：包含若干个节拍周期，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。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。

IORQMREQRDWET1T2T3T4

IORQ°MREQ°RD°WE°T1°T2°T3°T4°MERQ’IORQ’RD’WR’Φ

▲

提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号

▲由石英晶体振荡器组成产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列启动停机5.3.2时序信号产生器

启停控制逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑环形脉冲发生器时钟脉冲源微程序控制器的时序信号产生器(节拍电位-节拍脉冲)译码产生原始的节拍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，输出CPU真正需要的节拍脉冲和读写时序信号CPU周期CPU周期节拍脉冲信号启停控制逻辑

运行标志触发器Cr◆当计算机启动时，一定要从第1个节拍脉冲前沿开始工作。

◆停机时一定要在第4个节拍脉冲结束后关闭时序产生器。5.3.3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.同步控制方式

已定的指令在执行时所需的CPU周期（机器周期）数和时钟周期数都固定不变。2.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作后发“回答”信号，再开始新的操作。3.联合控制方式同步控制和异步控制相结合的方式。(1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。(2)采用不定长机器周期。(3)中央控制与局部控制结合。情况（1）：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“回答”信号作为本次操作的结束；情况（2）：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。5.4微程序控制器发展微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的M·V·Wilkes教授于1951年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的。到1964年，IBM公司在IBM360系列机上成功地采用了微程序设计技术。20世纪70年代以来，由于VLSI技术的发展，推动了微程序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计技术。5.4微程序控制器

利用软件方法（微程序设计技术）来设计硬件微程序控制的基本思想：＊把操作控制信号编成“微指令”，存放到控制存储器CM中。＊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。5.4微程序控制器5.4.1微程序控制原理5.4.2微程序设计技术控制器运算器、存储器、外围设备(IO设备)1微命令和微操作

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。

微命令微操作微操作微操作5.4.1微命令和微操作

▲微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。▲微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。▲微操作可分为相容性和相斥性两种。在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作不能在同时或同一个CPU周期内并行执行的微操作◆ALU的“+”、“﹣”、“M”（传送）为互斥微操作。◆通常，只有不同部件上的微操作，才可能相容！5.4.1微命令和微操作相斥性进位触发器多路开关的控制信号相斥性时钟输入相容性play2微指令和微程序

微指令：在一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合。

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＝微程序；微程序＝若干微指令；微指令＝一组微命令；微命令→微操作微指令的格式＊发出控制全机工作的控制信号。＊每一位表示一个微命令。＊“1”—发出微命令；

“0”—不发出微命令。用来决定产生下一条微指令的地址。判别测试标志微命令信号都是节拍电位信号′′′微程序控制器原理框图

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◆存放实现全部指令系统的微程序。决定将要访问的下一条微指令的地址

保存一条微指令的操作控制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微指令信息。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P和执行部件的“状态条件”反馈信息，修改微地址寄存器的内容

微程序举例——十进制加法

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：先将和数加6，然后判别结果有无进位：当Cy＝1，结果不变；当Cy＝0，结果减6。取指判别测试，修改微地址寄存器内容a＋ba＋b＋6测试进位标志Cya＋b＋6－6

第一条微指令的二进制编码是00000000000011110100000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PC－》AR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）5.4.4微程序举例第二条微指令的二进制编码是01010010010000000001001为完成R1＋R2－》R2微指令有4个微命令构成：第4位发出R1－》X第7位发出R2－》Y第10位发出R1＋R2第2位发出结果写回R2下一条微指令地址为1001第三条微指令的二进制编码是01000100110000000010000为完成R2＋R3－》R2微指令有5个微命令构成：第6位发出R2－》X第9位发出R3－》Y第10位发出R2＋R3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Cy＝1下一条微指令地址为0000，如果Cy＝0，下一条地址为0001.Cy＝0执行第四条微指令01000100100100000000000为完成R2－R3－》R2微指令有5个微命令构成：第6位发出R2－》X第9位发出R3－》Y第12位发出R2－R3第2位发出结果写回R2下一条微指令地址为0000CPU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个cpu周期图5.26CPU周期与微指令周期的关系T4T3T2T1微指令机器指令与微指令的关系

(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。(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关。(3)每一个CPU周期对应一条微指令。程序计数器PC地址寄存器AR缓冲寄存器DR指令寄存器IR微地址寄存器μAR微指令寄存器μIR主存储器控制存储器CM微命令地址译码器地址译码机器指令级微指令级OP5.4.2微程序设计技术一、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小CM的容量有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提高微程序设计的灵活性5.4.2微程序设计技术

直接表示法编码表示法混合表示法＊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。＊缺点：控存容量需求大。＊n位，最多代表2n-1个微命令。＊优点：缩短了微指令字的长度。＊缺点：字段需译码，才得到微命令信号字段1字段2……P字段下地址译码…译码…译码…微命令微命令P1Pn直接表示和编码表示相结合1.微命令编码—操作控制字段采用的表示方法2微地址的形成方法计数器方式多路转移方式＊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器的连续单元中。＊微指令的P字段中，某位为1，就要修改“下地址”字段，产生正确的下地址。＊P字段有n位，可产生2n路转移。3微指令格式水平型微指令垂直型微指令控制字段判别测试字段下地址字段＊全水平型微指令＊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源寄存器编址目标寄存器编址其他151312873203.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。4动态微程序设计

微程序设计技术有静态微程序设计和动态微程序设计之分。1.静态微程序设计对应于一台计算机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。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，以便扩大机器的功能。4动态微程序设计

5.5硬布线控制器电子计算机诞生后，控制器采用硬布线实现。基本思想：某一微操作控制信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。

非常复杂！增加一条指令，需要重新设计整个硬布线逻辑电路。硬布线控制器的结构方框图C=f(Im,Bi,Tk,Mi)

硬布线，需要很强的数理逻辑电路设计技术！图5.31硬布线控制器结构方框图…………5.7流水CPU5.7.1并行处理技术5.7.2流水CPU的结构5.7.3流水线中的主要问题5.7.4奔腾CPU并行性的两种含义同时性两个或多个事件同时发生。并发性两个或多个事件在同一时段内先后发生。事件1事件2事件1事件2△t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CPU是以时间并行性为原理构造的处理器1.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水处理部件。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。2.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+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流水计算机的系统组成多体交叉存储器cache指令部件(指令I+k+1)(指令I+k)…(指令I+2)(指令I+1)执行部件(指令I)存储系统流水CPU取指令指令译码计算操作数地址取操作数FIFO指令队列运算流水线用流水线实现用流水线实现流水线的表示法——连接图用方框表示过程段，箭头表示段间数据传送。以指令流水线为例，段间有缓冲寄存器，暂存前一段的结果；一个流水线由一系列串联的过程段组成。S2S3S4S1IFIDEXWB入出非流水的指令流水线8时钟后，完成2条指令。I1I2I1I2I1I2I1I2空间IFIDEXWB时间12345678时空图横轴表示时间，纵轴表示空间。标量流水线假设连续5条指令进入流水线I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5I1I2I3I4I5空间IFIDEXWB时间123456788时钟后，完成5条指令。装满时间排空时间S2S3S4S1IFIDEXWB入出什么是超标量流水处理器标量指单个量；向量指一组标量；只有一套指令流水线的CPU称为标量流水CPU；有多套指令流水线的CPU称为超标量流水CPU。超标量流水计算机是时间并行与空间并行的结合。超标量流水线CPU装满后，每个时钟完成2条指令。I2I4I6I8I10空间IF1时间12345678I1I3I5I7I9IF2I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9I2I4I6I8I10I1I3I5I7I9ID1ID2EX1EX2WB1WB2play流水线分类算术流水线流水加法器、流水乘法器、流水浮点加法器。指令流水线包括“取指”、“译码”、“取操作数”、“执行”、“写回”等过程段。处理机流水线(宏流水线)出入CPU1CPU2CPUm程序1程序2程序m5.8.3流水线中的主要问题流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。

资源相关数据相关控制相关多条指令在同一CPU周期内争用同一个功能部件等待前面指令完成操作数的读或写。由转移指令引起资源相关多条指令在同一CPU周期内争用同一个段。时钟12345678I1IFIDEXMEMWBI2IFIDEXMEMWBI3IFIDEXMEMWBI4IFIDEXMEMWBI5IFIDEXMEMI1和I4同时访存解决资源相关冲突的办法：(1)第I4条指令停顿一拍后再启动；(2)增设一个存储器，将指令和数据分别放在两个存储器中。数据相关等待前面指令完成操作数的读或写。ADDR1,R2,R3;(R2)﹢(R3)→R1SUBR4,R1,R5;(R1)﹣(R5)→R4ANDR6,R1,R7;(R1)∧(R7)→R6时钟12345678ADDIFIDEXMEMWBSUBIFIDEXMEMWBANDIFIDEXMEMWBT3读R1T4读R1T5写R1＊①写R1之前，②读R1，错！＊①写R1之前，③读R1，错！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：①写R1，然后②读R1。实际：②读R1，然后①写R1。这是写后读(RAW)相关。时钟T5，写时钟T3，读例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：①读R3，然后②写R3。实际：②写R3，然后①读R3。这是读后写(WAR)相关。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：①写R3，然后②写R3。实际：②写R3，然后①写R3。这是写后写(WAW)相关。乘法时间远比加法时间长！解决办法：可以推后后继指令对相关单元的操作控制相关紧跟转移指令的后续指令要不要执行？确定要转移时，后面的一条或多条指令已进入流水线；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。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)转移预测法延迟转移法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S1S2S3S4S5S6S7S8输入输出b﹢5b﹢4b﹢3b﹢2b﹢1bb﹣1b﹣2转移的目标指令在b+5后送流水线延迟：不是时间延迟，而是指指令执行顺序上目标指令被推延了。转移预测法设置两个指令队列(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。当能确定转移方向时，直接从相应队列中取指令。1/11/20233:31PMPentium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：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﹕PentiumIII667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。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：4X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：1333MHz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5.7.4PentiumCPU1/11/20233:31PMCPU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。CPU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。CPU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)。CPU内部分别设置指令cache和数据cache，外部还可接L2cache。CPU采用U，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。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2—3个时钟周期内执行完毕。1/11/20233:31PM具有非固定长度的指令格式9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。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1/11/20233:31PM(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：3.pentium4CPU是对pentiumCPU进一步改进和发展。处理器以静态程序的顺序由存储器取指令每条指令译成一个或多个定长的RISC指令，实际上是微指令采用20段的超标量流水线1/11/20233:31PM5.8RISCCPURISC的三个要素是：(1)一个有限的简单的指令集；(2)CPU配备大量的通用寄存器；(3)强调对指令流水线的优化。1/11/20233:31PM基于三要素的RISC机器的特征是：(1)使用等长指令，目前的典型长度是4个字节。(2)寻址方式少且简单，一般为2—3种，最多不超过4种，绝不出现存储器间接寻址方式。(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。(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。(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。1/11/20233:31PM(6)平均而言，所有指令的执行时间为一个处理时钟周期。(7)指令格式中用于指派整数寄存器的个数不少于32个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于16个。(8)强调通用寄存器资源的优化使用。(9)支持指令流水并强调指令流水的优化使用。(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。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5.8.2RISCCPU实例——MC88110CPU1.MC88110CPU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。