第8章 cpu的结构和功能2010

1、1,第章CPU的结构和功能,8.1CPU的结构,8.3指令流水,8.2指令周期,2,8.1CPU的结构,一、CPU的功能,取指令,分析指令,执行指令，发出各种操作命令,控制程序输入及结果的输出,总线管理,处理异常情况和特殊请求,1.控制器的功能,2.运算器的功能,实现算术运算和逻辑运算,指令控制,操作控制,时间控制,数据加工,处理中断,3,二、CPU结构框图,PCIR,ALU寄存器,中断系统,1.CPU与系统总线,CU时序电路,8.1,4,2.CPU的内部结构,8.1,(1)通用寄存器,(2)数据寄存器,(3)地址寄存器,(4)条件码寄存器,(5)控制寄存器,(6)状态寄存器,5,四、控制单元

2、CU和中断系统,1.CU产生全部指令的微操作命令序列,2.中断系统,参见第篇,五、ALU,参见8.4节,参见第章,8.1,6,8.2指令周期,一、指令周期的基本概念,1.指令周期,取出并执行一条指令所需的全部时间,完成一条指令,执行,取指、分析,取指周期,执行周期,7,2.每条指令的指令周期不同,NOP,ADDmem,MULmem,8.2,8,3.具有间接寻址的指令周期,4.带有中断周期的指令周期,8.2,9,5.指令周期流程,取指周期,执行周期,间址周期,中断周期,8.2,10,1.取指周期数据流,二、指令周期的数据流,CU,MAR,PC,8.2,11,2.间址周期数据流,8.2,12,3.

3、执行周期数据流,4.中断周期数据流,不同指令的执行周期数据流不同,8.2,13,8.3指令流水,一、如何提高机器速度,1.提高访存速度：,2.提高I/O和主机之间的传送速度,高速芯片、Cache、多体并行,提高器件性能,改进系统结构，开发系统的并行性,3.提高运算器速度,4.提高处理机速度,14,二、系统的并行性,时间上互相重叠,两个或两个以上事件在同一时刻发生,两个或两个以上事件在同一时间段发生,并行,8.3,15,三、指令流水原理,2.指令的二级流水,1.指令的串行执行,取指令取指令部件完成,总有一个部件空闲,指令预取,若取指和执行阶段时间上完全重叠,指令周期减半速度提高1倍,执行指令执行

4、指令部件完成,8.3,16,必须等上条指令执行结束，才能确定下条指令的地址，造成时间损失,3.影响指令流水效率加倍的因素,(1)执行时间取指时间,(2)条件转移指令对指令流水的影响,解决办法？,猜测法,8.3,17,4.指令的六级流水,六级流水,6+(9-1)=14个时间单位,串行执行,6954个时间单位,完成一条指令,6个时间单位,8.3,18,如：操作数的存储器访问操作,另一指令的取值操作,三、影响指令流水线性能的因素,1.结构相关,8.3,不同指令争用同一功能部件产生资源冲突,程序的相近指令之间出现某种关联使指令流水出现停顿，影响流水线效率,解决办法:,停顿,指令存储器和数据存储器分开,

5、指令预取技术（适用于访存周期短的情况）,19,2.数据相关,不同指令因重叠操作，可能改变操作数的读/写访问顺序,解决办法,8.3,后推法,采用相关专用通道,20,3.控制相关,8.3,由转移指令引起流水线断流,解决办法：,猜测法,猜对：继续猜错：返回分支点,21,流水线特点,不同指令的不同阶段由计算机不同部件重叠执行流水线的级数=指令所分的阶段数某些功能段较长，则会另外一些功能段长时间等待，影响流水线作用的发挥？几个较小的功能段合并或将时间长的功能段划分所以流水线计算机中，一条指令要分成大致相等的几个阶段,22,控制器的基本组成,23,控制器的两种设计方法,组合逻辑微程序控制,24,二、微程序

6、控制的基本原理,微程序控制的基本概念,1.若干微命令编制成一条微指令，控制实现一步操作；,2.若干微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令；,微程序事先存放在控制存储器中，执行机器指令时再取出。,25,加法指令举例,取指微指令PCAB;ADSM/IOW/R=0;DBIR;PC+1,计算地址微指令rs1GR(rs1)ALUdispALU;“+”;ALUAR,加法运算和送结果微指令ALUrs1GR(rs)ALUDRALU;“+”;ALUGR,取数微指令ARAB;ADSM/IOW/R=0;DBDR;,26,加法指令的微指令编码,取指微指令PCAB;ADSM/IOW/R=0;DBIR;PC+1,计算

7、地址微指令rs1GR(rs1)ALUdispALU;“+”;ALUAR,加法运算和送结果微指令ALUrs1GR(rs)ALUDRALU;“+”;ALUGR,取数微指令ARAB;ADSM/IOW/R=0;DBDR;,27,微程序流程图举例,28,微程序控制器,29,微程序设计技术,微指令的组成控制字段下址字段微指令字长控制字段和下址字段的位数和，一般大于机器字长控制存储器的容量实现指令系统所需的微程序长度,缩短微指令字长、减少微程序长度、提高微程序执行速度,字长长微程序短执行速度快字长短微程序长执行速度慢,矛盾,30,微程序设计技术,1.直接控制法,一、微指令控制字段的编译法,4.常数源字段E,

8、控制字段中每一位代表一个微命令,控制字段中将互斥的微命令编成一组，作为译码器的输出每个字段要留一个代码，表示本段不发任何微命令,控制字段分组后，不同组间的某些命令相互解释,2.字段直接编译法,3.字段间接编译法,31,微指令格式,微指令的编译法是主要决定因素微指令格式大体分为：,2、垂直型微指令,采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能一条微指令只要求控制实现一两种操作，不强调并行性,采用直接控制法进行编码的微指令一条微指令中定义并执行多个并行操作微命令,1、水平型微指令,32,水平型与垂直型微指令比较,(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，具有微指令字比较长，但微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字比较短而微程序长。(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。,33,硬布线控制计算机,时序控制