1、復習串講復習串講1. 計算機由五大部件組成計算機由五大部件組成3. 指令和數據用二進制表示指令和數據用二進制表示4. 指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成6. 以運算器為中心以運算器為中心2. 指令和數據以同等地位存于存儲器，指令和數據以同等地位存于存儲器， 可按地址尋訪可按地址尋訪5. 存儲程序存儲程序一、馮馮諾依曼計算機的特點諾依曼計算機的特點5. 存儲程序存儲程序3.1 總線的基本概念總線的基本概念3.2 總線的分類總線的分類3.3 總線特性及性能指標總線特性及性能指標3.4 總線結構總線結構3.5 總線控制總線控制二、總線通信控制二、總線通信控制1. 目的目的2. 總線傳輸

2、周期總線傳輸周期主模塊申請主模塊申請，總線仲裁決定，總線仲裁決定主模塊向從模塊主模塊向從模塊 給出地址給出地址 和和 命令命令主模塊和從模塊主模塊和從模塊 交換數據交換數據主模塊主模塊 撤消有關信息撤消有關信息 申請分配階段申請分配階段尋址階段尋址階段傳數階段傳數階段結束階段結束階段解決通信雙方解決通信雙方 協調配合協調配合 問題問題由由 統(tǒng)一時標統(tǒng)一時標 控制數據傳送控制數據傳送充分充分 挖掘挖掘 系統(tǒng)系統(tǒng) 總線每個瞬間總線每個瞬間 的的 潛力潛力同步通信同步通信 異步通信異步通信 半同步通信半同步通信 分離式通信分離式通信 3. 總線通信的四種方式總線通信的四種方式采用采用 應答方式應答方

3、式 ，沒有公共時鐘標準，沒有公共時鐘標準同步同步、異步結合異步結合 讀讀命令命令(1) 同步式數據輸入同步式數據輸入T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 數據數據 數據數據(2) 同步式數據輸出同步式數據輸出T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 寫寫命令命令不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖(3) 異步通信異步通信主設備主設備從設備從設備請請求求回回答答(4) 半同步通信半同步通信同步同步 發(fā)送方發(fā)送方 用系統(tǒng)用系統(tǒng) 時鐘前沿時鐘前沿 發(fā)信號發(fā)信號 接收方接收方 用系統(tǒng)用系統(tǒng) 時鐘后沿時鐘后沿 判斷、識別判斷、識別（同步同步、異步異步 結合）結

4、合）異步異步 允許不同速度的模塊和諧工作允許不同速度的模塊和諧工作 增加一條增加一條 “等待等待”響應信號響應信號 WAIT以輸入數據為例的半同步通信時序以輸入數據為例的半同步通信時序T1 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址T2 主模塊發(fā)命令主模塊發(fā)命令T3 從模塊提供數據從模塊提供數據T4 從模塊撤銷數據，主模塊撤銷命令從模塊撤銷數據，主模塊撤銷命令Tw 當當 為低電平時，等待一個為低電平時，等待一個 TWAITTw 當當 為低電平時，等待一個為低電平時，等待一個 TWAIT 讀讀 命令命令WAIT 地址地址 數據數據 時鐘時鐘總線傳輸周期總線傳輸周期T1T2TWTWT3T4(4) 半同步通信半同步通

5、信 （同步同步、異步異步 結合）結合）上述三種通信的共同點上述三種通信的共同點一個總線傳輸周期（以輸入數據為例）一個總線傳輸周期（以輸入數據為例） 主模塊發(fā)地址主模塊發(fā)地址 、命令、命令 從模塊準備數據從模塊準備數據 從模塊向主模塊發(fā)數據從模塊向主模塊發(fā)數據總線空閑總線空閑占用總線占用總線不占用總線不占用總線占用總線占用總線(5) 分離式通信分離式通信充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力主模塊主模塊 申請申請 占用總線占用總線，使用完后，使用完后即即 放棄總線放棄總線 的使用權的使用權從模塊從模塊 申請申請 占用總線占用總線，將各種信，將各種信息送至總線上息送至總線上一

6、個總線傳輸周期一個總線傳輸周期子周期子周期1子周期子周期2主模塊主模塊1. 各模塊有權申請占用總線各模塊有權申請占用總線分離式通信特點分離式通信特點充分提高了總線的有效占用充分提高了總線的有效占用2. 采用同步方式通信，不等對方回答采用同步方式通信，不等對方回答3. 各模塊準備數據時，不占用總線各模塊準備數據時，不占用總線4. 總線被占用時，無空閑總線被占用時，無空閑4.1 概述概述4.2 主存儲器主存儲器4.3 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器4.4 輔助存儲器輔助存儲器高高低低小小大大快快慢慢輔存輔存寄存器寄存器緩存緩存主存主存磁盤磁盤光盤光盤磁帶磁帶光盤光盤磁帶磁帶速度速度容量容量 價格價格

7、 位位1. 存儲器三個主要特性的關系存儲器三個主要特性的關系 二、存儲器的層次結構二、存儲器的層次結構CPUCPU主機主機緩存緩存CPU主存主存輔存輔存2. 緩存緩存 主存層次和主存主存層次和主存 輔存層次輔存層次緩存緩存主存主存輔存輔存主存主存虛擬存儲器虛擬存儲器10 ns20 ns200 nsms虛地址虛地址邏輯地址邏輯地址實地址實地址物理地址物理地址主存儲器主存儲器（速度）（速度）（容量）（容量）DD預充電信號預充電信號讀選擇線讀選擇線寫數據線寫數據線寫選擇線寫選擇線讀數據線讀數據線VCgT4T3T2T11 (1) 動態(tài)動態(tài) RAM 基本單元電路基本單元電路 2. 2. 動態(tài)動態(tài) RAM

8、 ( DRAM )RAM ( DRAM )讀出與原存信息相反讀出與原存信息相反讀出時數據線有電流讀出時數據線有電流 為為 “1”數據線數據線CsT字線字線DDV0 10 11 0寫入與輸入信息相同寫入與輸入信息相同寫入時寫入時 CS 充電充電 為為 “1” 放電放電 為為 “0”T3T2T1T無電流無電流有電流有電流 (3) 動態(tài)動態(tài) RAM 時序時序 行、列地址分開傳送行、列地址分開傳送寫時序寫時序行地址行地址 RAS 有效有效寫允許寫允許 WE 有效有效(高高)數據數據 DOUT 有效有效數據數據 DIN 有效有效讀時序讀時序行地址行地址 RAS 有效有效寫允許寫允許 WE 有效有效(低低

9、)列地址列地址 CAS 有效有效列地址列地址 CAS 有效有效 (4) 動態(tài)動態(tài) RAM 刷新刷新 刷新與行地址有關刷新與行地址有關 集中刷新集中刷新 （存取周期為存取周期為0.5 s s ）“死時間率死時間率” 為為 128/4 000 100% = 3.2%“死區(qū)死區(qū)” 為為 0.5 s s 128 = 64 s s 周期序號周期序號地址序號地址序號tc0123871 387201tctctctc3999V W01127讀讀/寫或維持寫或維持刷新刷新讀讀/寫或維持寫或維持3872 個周期個周期 （1936 s s） 128個周期個周期 （64 s s） 刷新時間間隔刷新時間間隔 （2 ms

10、）刷新序號刷新序號tcXtcY 以以128 128 矩陣為例矩陣為例tC = = tM + + tR讀寫讀寫 刷新刷新無無 “死區(qū)死區(qū)” 分散刷新分散刷新（存取周期為存取周期為1 s ）(存取周期為存取周期為 0.5 s + 0.5 s )以以 128 128 矩陣為例矩陣為例W/RREF0W/RtRtMtCREF126REF127REFW/RW/RW/RW/R刷新間隔刷新間隔 128 個存取周期個存取周期 分散刷新與集中刷新相結合（異步刷新）分散刷新與集中刷新相結合（異步刷新）對于對于 128 128 的存儲芯片的存儲芯片（存取周期為存取周期為 0.5 s s ）將刷新安排在指令譯碼階段，不

11、會出現將刷新安排在指令譯碼階段，不會出現 “死區(qū)死區(qū)”“死區(qū)死區(qū)” 為為 0.5 s s 若每隔若每隔 15.6 s s 刷新一行刷新一行每行每隔每行每隔 2 ms 刷新一次刷新一次 3. 動態(tài)動態(tài) RAM 和靜態(tài)和靜態(tài) RAM 的比較的比較DRAMSRAM存儲原理存儲原理集成度集成度芯片引腳芯片引腳功耗功耗價格價格速度速度刷新刷新電容電容觸發(fā)器觸發(fā)器高高低低少少多多小小大大低低高高慢慢快快有有無無主存主存緩存緩存 用用 1K 4位位 存儲芯片組成存儲芯片組成 1K 8位位 的存儲器的存儲器？片？片 五、存儲器與五、存儲器與 CPU CPU 的連接的連接 1. 存儲器容量的擴展存儲器容量的擴展

12、 (1) 位擴展位擴展（增加存儲字長）（增加存儲字長）10根地址線根地址線8根數據線根數據線DDD0479AA021142114CSWE2片片 (2) 字擴展（增加存儲字的數量）字擴展（增加存儲字的數量） 用用 1K 8位位 存儲芯片組成存儲芯片組成 2K 8位位 的存儲器的存儲器11根地址線根地址線8根數據線根數據線？片？片2片片1K 8 8位位1K 8 8位位D7D0WEA1A0A9CS0A10 1CS1 (3) 字、位擴展字、位擴展用用 1K 4位位 存儲芯片組成存儲芯片組成 4K 8位位 的存儲器的存儲器8根數據線根數據線12根地址線根地址線WEA8A9A0.D7D0A11A10CS0

13、CS1CS2CS3片選片選譯碼譯碼1K41K41K41K41K41K41K41K4？片？片8片片 2. 存儲器與存儲器與 CPU 的連接的連接 (1) 地址線的連接地址線的連接(2) 數據線的連接數據線的連接(3) 讀讀/寫命令線的連接寫命令線的連接(4) 片選線的連接片選線的連接(5) 合理選擇存儲芯片合理選擇存儲芯片(6) 其他其他 時序、負載時序、負載六、存儲器的校驗六、存儲器的校驗編碼的糾錯編碼的糾錯 、檢錯能力與編碼的最小距離有關檢錯能力與編碼的最小距離有關L 編碼的最小距離編碼的最小距離D 檢測錯誤的位數檢測錯誤的位數C 糾正錯誤的位數糾正錯誤的位數漢明碼是具有一位糾錯能力的編碼漢

14、明碼是具有一位糾錯能力的編碼L 1 = D + C ( DC )1 . 編碼的最小距離編碼的最小距離任意兩組合法代碼之間任意兩組合法代碼之間 二進制位數二進制位數 的的 最少差異最少差異L = 3 具有具有 一位一位 糾錯能力糾錯能力3. 漢明碼的糾錯過程漢明碼的糾錯過程形成新的檢測位形成新的檢測位 Pi ，如增添如增添 3 位位 （k = 3）， 新的檢測位為新的檢測位為 P4 P2 P1 。以以 k = 3 為例，為例，Pi 的取值為的取值為P1 = 1 3 5 7P2 = 2 3 6 7P4 = 4 5 6 7對于按對于按 “偶校驗偶校驗” 配置的漢明碼配置的漢明碼 不出錯時不出錯時 P

15、1= 0，P2 = 0，P4 = 0C1C2C4其位數與增添的檢測位有關，其位數與增添的檢測位有關，七、提高訪存速度的措施七、提高訪存速度的措施 采用高速器件采用高速器件 調整主存結構調整主存結構1. 單體多字系統(tǒng)單體多字系統(tǒng) W位位W位位W位位W位位W位位 地址寄存器地址寄存器 主存控制器主存控制器. . . . . . 單字長寄存器單字長寄存器 數據寄存器數據寄存器 存儲體存儲體 采用層次結構采用層次結構 Cache 主存主存 增加存儲器的帶寬增加存儲器的帶寬 2. 多體并行系統(tǒng)多體并行系統(tǒng)(1) 高位交叉高位交叉 M0M1M2M3體內地址體內地址體號體號體號體號地址地址00 000000

16、 000100 111101 000001 000101 111110 000010 000110 111111 000011 000111 1111順序編址順序編址 M0M1M2M3體號體號體內地址體內地址地址地址0000 000000 010000 100000 110001 000001 010001 100001 111111 001111 011111 101111 11(2) 低位交叉低位交叉各個體輪流編址各個體輪流編址3.高性能存儲芯片高性能存儲芯片(1) SDRAM (同步同步 DRAM)在系統(tǒng)時鐘的控制下進行讀出和寫入在系統(tǒng)時鐘的控制下進行讀出和寫入CPU 無須等待無須等待(

17、2) RDRAM由由 Rambus 開發(fā)，主要解決開發(fā)，主要解決 存儲器帶寬存儲器帶寬 問題問題 (3) 帶帶 Cache 的的 DRAM 在在 DRAM 的芯片內的芯片內 集成集成 了一個由了一個由 SRAM 組成的組成的 Cache ，有利于，有利于 猝發(fā)式讀取猝發(fā)式讀取 一、概述一、概述1. 問題的提出問題的提出避免避免 CPU “空等空等” 現象現象CPU 和主存（和主存（DRAM）的速度差異的速度差異緩存緩存CPU主存主存容量小容量小速度高速度高容量大容量大速度低速度低程序訪問的局部性原理程序訪問的局部性原理2. Cache 的工作原理的工作原理(1) 主存和緩存的編址主存和緩存的編

18、址主存和緩存按塊存儲主存和緩存按塊存儲 塊的大小相同塊的大小相同B 為塊長為塊長 主存塊號主存塊號主存儲器主存儲器012m1字塊字塊 0字塊字塊 1字塊字塊 M1主存塊號主存塊號塊內地址塊內地址m位位b位位n位位M塊塊B個字個字緩存塊號緩存塊號塊內地址塊內地址c位位b位位C塊塊B個字個字 字塊字塊 0字塊字塊 1字塊字塊 C1012c1標記標記Cache緩存塊號緩存塊號(2) 命中與未命中命中與未命中緩存共有緩存共有 C 塊塊主存共有主存共有 M 塊塊M C主存塊主存塊 調入調入 緩存緩存主存塊與緩存塊主存塊與緩存塊 建立建立 了對應關系了對應關系用用 標記記錄標記記錄 與某緩存塊建立了對應關

19、系的與某緩存塊建立了對應關系的 主存塊號主存塊號命中命中未命中未命中主存塊與緩存塊主存塊與緩存塊 未建立未建立 對應關系對應關系主存塊主存塊 未調入未調入 緩存緩存(3) Cache 的命中率的命中率CPU 欲訪問的信息在欲訪問的信息在 Cache 中的中的 比率比率命中率命中率 與與 Cache 的的 容量容量 與與 塊長塊長 有關有關 一般每塊可取一般每塊可取 4 8 個字個字塊長取一個存取周期內從主存調出的信息長度塊長取一個存取周期內從主存調出的信息長度 CRAY_1 16體交叉體交叉 塊長取塊長取 16 個存儲字個存儲字 IBM 370/168 4體交叉體交叉 塊長取塊長取 4 個存儲

20、字個存儲字（64位位4 = 256位）位）(4) Cache 主存系統(tǒng)的效率主存系統(tǒng)的效率效率效率 e 與與 命中率命中率 有關有關 設設 Cache 命中率命中率 為為 h，訪問訪問 Cache 的時間為的時間為 tc ， 訪問訪問 主存主存 的時間為的時間為 tm 則則 e = 100% tc h tc+ (1h) tm 訪問訪問 Cache 的時間的時間 平均訪問時間平均訪問時間 e = 100%3. Cache 的基本結構的基本結構Cache替換機構替換機構Cache存儲體存儲體主存主存Cache地址映射地址映射變換機構變換機構由由CPU完成完成4. Cache 的的 讀寫讀寫 操作操

21、作 訪問訪問Cache取出信息送取出信息送CPU 訪問主存訪問主存取出信息送取出信息送CPU將新的主存塊將新的主存塊調入調入Cache中中執(zhí)行替換算法執(zhí)行替換算法 騰出空位騰出空位 結束結束命中？命中？Cache滿？滿？CPU發(fā)出訪問地址發(fā)出訪問地址 開始開始是是否否是是否否讀讀Cache 和主存的一致性和主存的一致性 4. Cache 的的 讀寫讀寫 操作操作寫寫 寫直達法寫直達法（Write through） 寫回法寫回法（Write back） 寫操作時數據既寫入寫操作時數據既寫入Cache又寫入主存又寫入主存 寫操作時只把數據寫入寫操作時只把數據寫入 Cache 而不寫入主存而不寫入主

22、存當當 Cache 數據被替換出去時才寫回主存數據被替換出去時才寫回主存 寫操作時間就是訪問主存的時間寫操作時間就是訪問主存的時間，讀操作時不，讀操作時不涉及對主存的寫操作，更新策略比較容易實現涉及對主存的寫操作，更新策略比較容易實現寫操作時間就是訪問寫操作時間就是訪問 Cache 的時間的時間，讀操作讀操作 Cache 失效發(fā)生數據替換時，失效發(fā)生數據替換時，被替換的塊需寫回主存，增加了被替換的塊需寫回主存，增加了 Cache 的復雜性的復雜性5. Cache 的改進的改進(1) 增加增加 Cache 的級數的級數片載（片內）片載（片內）Cache片外片外 Cache(2) 統(tǒng)一緩存和分立緩

23、存統(tǒng)一緩存和分立緩存指令指令 Cache數據數據 Cache與主存結構有關與主存結構有關與指令執(zhí)行的控制方式有關與指令執(zhí)行的控制方式有關是否流水是否流水Pentium 8K 指令指令 Cache 8K 數據數據 CachePowerPC620 32K 指令指令 Cache 32K 數據數據 Cache 字塊字塊2m1 字塊字塊2c+1 字塊字塊2c+11 字塊字塊2c +1 字塊字塊2c 字塊字塊2c1 字塊字塊1 字塊字塊0主存儲體主存儲體 字塊字塊 1 標記標記 字塊字塊 0 標記標記字塊字塊 2c1標記標記Cache存儲體存儲體t位位012c1 字塊字塊字塊地址字塊地址 主存字主存字 塊

24、標記塊標記t 位位c 位位b 位位主存地址主存地址 比較器（比較器（t位）位）= 不命中不命中有效位有效位=1？*m位位 Cache內地址內地址否否是是命中命中二、二、Cache 主存的地址映射主存的地址映射1. 直接映射直接映射每個緩存塊每個緩存塊 i 可以和可以和 若干若干 個個 主存塊主存塊 對應對應每個主存塊每個主存塊 j 只能和只能和 一一 個個 緩存塊緩存塊 對應對應i = j mod C 字塊字塊2c+1 字塊字塊2c 字塊字塊0 字塊字塊 02. 全相聯映射全相聯映射主存主存 中的中的 任一塊任一塊 可以映射到可以映射到 緩存緩存 中的中的 任一塊任一塊字塊字塊2m1字塊字塊2

25、c1字塊字塊1 字塊字塊0字塊字塊2c1字塊字塊1字塊字塊0標記標記標記標記標記標記主存字塊標記主存字塊標記 字塊內地址字塊內地址主存地址主存地址m = t + c 位位b位位m = t+cCache 存儲器存儲器主存儲器主存儲器 字塊字塊0字塊字塊2m1字塊字塊2c-r+1 字塊字塊2c-r + 1 字塊字塊2c-r字塊字塊2c-r 字塊字塊1 字塊字塊0 字塊字塊 3標記標記 字塊字塊 1標記標記字塊字塊 2c1標記標記 字塊字塊 2標記標記 字塊字塊 0標記標記字塊字塊 2c2標記標記 字塊內地址字塊內地址組地址組地址主存字塊標記主存字塊標記s = t + r 位位q = cr 位位b

26、位位組組012c-r1主存地址主存地址Cache主存儲器主存儲器m 位位共共 Q 組組，每組內兩塊（，每組內兩塊（r = 1)1某一主存塊某一主存塊 j 按模按模 Q 映射到映射到 緩存緩存 的第的第 i 組組中的中的 任一塊任一塊i = j mod Q直接映射直接映射全相聯映射全相聯映射3. 組相聯映射組相聯映射 字塊字塊0 字塊字塊 1 字塊字塊 0 字塊字塊2c-r 字塊字塊2c-r+1三、替換算法三、替換算法1. 先進先出先進先出 （ FIFO ）算法算法 2. 近期最少使用（近期最少使用（ LRU）算法算法小結小結某一某一 主存塊主存塊 只能固定只能固定 映射到映射到 某一某一 緩存

27、塊緩存塊直接直接全相聯全相聯組相聯組相聯某一某一 主存塊主存塊 能能 映射到映射到 任一任一 緩存塊緩存塊某一某一 主存塊主存塊 只能只能 映射到映射到 某一某一 緩存緩存 組組 中的中的 任一塊任一塊不靈活不靈活成本高成本高5.6 DMA方式方式5.5 程序中斷方式程序中斷方式5.4 程序查詢方式程序查詢方式5.3 I/O接口接口5.2 外部設備外部設備5.1 概述概述一、一、DMA DMA 方式的特點方式的特點1. DMA 和程序中斷兩種方式的數據通路和程序中斷兩種方式的數據通路CPU主主存存ACC 中斷接口中斷接口DMA 接口接口I/O 設設 備備中斷方式數據傳送通路中斷方式數據傳送通路

28、輸入指令輸入指令輸出指令輸出指令DMA方式數據傳送通路方式數據傳送通路2. DMA 與主存交換數據的三種方式與主存交換數據的三種方式(1) 停止停止 CPU 訪問主存訪問主存控制簡單控制簡單CPU 處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)未充分發(fā)揮未充分發(fā)揮 CPU 對主存的利用率對主存的利用率主存工作時間主存工作時間CPU不執(zhí)行程序不執(zhí)行程序DMA不工作不工作DMA不工作不工作DMA工作工作 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(2) 周期挪用（或周期竊?。┲芷谂灿茫ɑ蛑芷诟`?。〥MA 訪問主存有三種可能訪問主存有三種可能 CPU 此時不訪存此時不

29、訪存 CPU 正在訪存正在訪存 CPU 與與 DMA 同時請求訪存同時請求訪存此時此時 CPU 將總線控制權讓給將總線控制權讓給 DMA主存工作時間主存工作時間 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(3) DMA 與與 CPU 交替訪問交替訪問主存工作時間主存工作時間DMA控制控制并使用主存并使用主存CPU控制控制并使用主存并使用主存tCPU 工作周期工作周期C1 專供專供 DMA 訪存訪存C2 專供專供 CPU 訪存訪存所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間不需要不需要 申請建立和歸還申請建立和歸還 總線的使用權總線的使用權7.1

30、 機器指令機器指令 7.2 操作數類型和操作類型操作數類型和操作類型 7.3 尋址方式尋址方式 7.4 指令格式舉例指令格式舉例 7.5 RISC 技術技術 尋址方式尋址方式 確定確定 本條指令本條指令 的的 操作數地址操作數地址下一條下一條 欲執(zhí)行欲執(zhí)行 指令指令 的的 指令地址指令地址指令尋址指令尋址數據尋址數據尋址尋址方式尋址方式一、指令尋址一、指令尋址順序順序( PC ) + 1 PC跳躍跳躍由轉移指令指出由轉移指令指出LDA 1000ADD 1001DEC 1200JMP 7LDA 2000SUB 2001INCSTA 2500LDA 1100.0123456789PC+1指令地址尋

31、址方式指令地址尋址方式指令地址指令地址指令指令順序尋址順序尋址1順序尋址順序尋址2順序尋址順序尋址3跳躍尋址跳躍尋址7順序尋址順序尋址8二、數據尋址二、數據尋址 形式地址形式地址 指令字中的地址指令字中的地址 有效地址有效地址 操作數的真實地址操作數的真實地址 約定約定 指令字長指令字長 = 存儲字長存儲字長 = 機器字長機器字長1. 立即尋址立即尋址 指令執(zhí)行階段不訪存指令執(zhí)行階段不訪存 A 的位數限制了立即數的范圍的位數限制了立即數的范圍形式地址形式地址 A操作碼操作碼尋址特征尋址特征OP # A立即尋址特征立即尋址特征立即數立即數 可正可負可正可負 補碼補碼形式地址形式地址 A 就是操作

32、數就是操作數2. 直接尋址直接尋址EA = A操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征LDAAAACC 執(zhí)行階段訪問一次存儲器執(zhí)行階段訪問一次存儲器 A 的位數決定了該指令操作數的尋址范圍的位數決定了該指令操作數的尋址范圍 操作數的地址不易修改（必須修改操作數的地址不易修改（必須修改A）有效地址由形式地址直接給出有效地址由形式地址直接給出3. 隱含尋址隱含尋址操作數地址隱含在操作碼中操作數地址隱含在操作碼中ADDA操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征AACC暫存暫存ALU另一個操作數另一個操作數隱含在隱含在 ACC 中中如如 8086MUL 指令指令被乘數隱含在被乘數隱含在 AX（16位）或位）或

33、 AL（8位）中位）中MOVS 指令指令源操作數的地址隱含在源操作數的地址隱含在 SI 中中目的操作數的地址隱含在目的操作數的地址隱含在 DI 中中 指令字中少了一個地址字段，可縮短指令字長指令字中少了一個地址字段，可縮短指令字長4. 間接尋址間接尋址EA =（A） 有效地址由形式地址間接提供有效地址由形式地址間接提供OPA尋址特征尋址特征AEA主存主存EAA1EA A1主存主存 EA10 執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令階段 2 次訪存次訪存 可擴大尋址范圍可擴大尋址范圍 便于編制程序便于編制程序OPA尋址特征尋址特征A一次間址一次間址多次間址多次間址操作數操作數操作數操作數多次訪存多次訪存 子程序子程

34、序主程序主程序8081201202調用子程序調用子程序調用子程序調用子程序間接尋址編程舉例間接尋址編程舉例(A) = 81(A) = 202 間址特征間址特征JMP A 5. 寄存器尋址寄存器尋址EA = Ri 執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，執(zhí)行速度快執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，執(zhí)行速度快OPRi尋址特征尋址特征 寄存器個數有限，可縮短指令字長寄存器個數有限，可縮短指令字長操作數操作數R0RiRn寄存器寄存器有效地址即為寄存器編號有效地址即為寄存器編號EA = ( Ri )6. 寄存器間接尋址寄存器間接尋址 有效地址在寄存器中，有效地址在寄存器中， 操作數在存儲器中，執(zhí)行階段訪存操作數在存儲

35、器中，執(zhí)行階段訪存操作數操作數主存主存OPRi尋址特征尋址特征 便于編制循環(huán)程序便于編制循環(huán)程序地址地址R0RiRn寄存器寄存器有效地址在寄存器中有效地址在寄存器中7. 基址尋址基址尋址(1) 采用專用寄存器作基址寄存器采用專用寄存器作基址寄存器EA = ( BR ) + ABR 為基址寄存器為基址寄存器OPA操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征ALUBR 可擴大尋址范圍可擴大尋址范圍 有利于多道程序有利于多道程序 BR 內容由操作系統(tǒng)或管理程序確定內容由操作系統(tǒng)或管理程序確定 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 BR 內容不變，形式地址內容不變，形式地址 A 可變可變(2) 采用通用寄存器

36、作基址寄存器采用通用寄存器作基址寄存器操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征ALUOPR0AR0 作基址寄存器作基址寄存器 由用戶指定哪個通用寄存器作為基址寄存器由用戶指定哪個通用寄存器作為基址寄存器通用寄存器通用寄存器R0Rn-1R1 基址寄存器的內容由操作系統(tǒng)確定基址寄存器的內容由操作系統(tǒng)確定 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 R0 內容不變，形式地址內容不變，形式地址 A 可變可變8. 變址尋址變址尋址EA = ( IX ) +AOPA操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征ALUIX 可擴大尋址范圍可擴大尋址范圍 便于處理數組問題便于處理數組問題 IX 的內容由用戶給定的內容由用戶給定

37、IX 為變址寄存器（專用）為變址寄存器（專用） 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 IX 內容可變，形式地址內容可變，形式地址 A 不變不變通用寄存器也可以作為變址寄存器通用寄存器也可以作為變址寄存器9. 相對尋址相對尋址 EA = ( PC ) + AA 是相對于當前指令的位移量（可正可負，補碼）是相對于當前指令的位移量（可正可負，補碼） A 的位數決定操作數的尋址范圍的位數決定操作數的尋址范圍 程序浮動程序浮動 廣泛用于轉移指令廣泛用于轉移指令操作數操作數尋址特征尋址特征ALUOPA相對距離相對距離 A1000PC 主存主存1000AOP (1) 相對尋址舉例相對尋址舉例M 隨程序所在存

38、儲空間的位置不同而不同隨程序所在存儲空間的位置不同而不同EA = ( M+3 ) 3 = M 3*LDA # 0LDX # 0ADD X, DINXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSMM+1M+2M+3而指令而指令 BNE 與與 指令指令 ADD X, D 相對位移量不變相對位移量不變 3* 指令指令 BNE操作數的有效地址為操作數的有效地址為 3* 相對尋址特征相對尋址特征*(2) 按字節(jié)尋址的相對尋址舉例按字節(jié)尋址的相對尋址舉例OP位移量位移量2000 H2008 H8JMP * + 8OP06 H2000 H2008 H8設設 當前指令地址當前指令地址 PC = 200

39、0H轉移后的目的地址為轉移后的目的地址為 2008H因為因為 取出取出 JMP * + 8 后后 PC = 2002H二字節(jié)指令二字節(jié)指令故故 JMP * + 8 指令指令 的第二字節(jié)為的第二字節(jié)為 2008H - 2002H = 06H10. 堆棧尋址堆棧尋址(1) 堆棧的特點堆棧的特點堆棧堆棧硬堆棧硬堆棧軟堆棧軟堆棧多個寄存器多個寄存器指定的存儲空間指定的存儲空間先進后出先進后出（一個入出口）（一個入出口） 棧頂地址棧頂地址 由由 SP 指出指出 11FFFH +12000 H進棧進棧 （SP） 1 SP出棧出棧 （SP）+ 1 SP棧頂棧頂棧底棧底2000 HSP2000 H1FFF H

40、SP1FFFH棧頂棧頂棧底棧底進棧進棧出棧出棧 1FFF H棧頂棧頂 2000 H棧頂棧頂(2) 堆棧尋址舉例堆棧尋址舉例15200HACCSPX棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存151FFHACCSP15棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存X1FFHPUSH A 前前PUSH A 后后POP A 前前POP A 后后Y1FFHACCSPX棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存151FFH15200HACCSP棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存X15(3) SP 的修改與主存編址方法有關的修改與主存編址方法有關 按按 字字 編址編址進棧進棧出棧出棧（SP） 1 SP（SP）+ 1 SP 按按 字節(jié)字節(jié) 編址

41、編址存儲字長存儲字長 16 位位進棧進棧出棧出棧（SP） 2 SP（SP）+ 2 SP存儲字長存儲字長 32 位位進棧進棧出棧出棧（SP） 4 SP（SP）+ 4 SP一、一、RISC 的產生和發(fā)展的產生和發(fā)展 80 20 規(guī)律規(guī)律 典型程序中典型程序中 80% 的語句僅僅使的語句僅僅使 用處理機中用處理機中 20% 的指令的指令 執(zhí)行頻度高的簡單指令，因復雜指令執(zhí)行頻度高的簡單指令，因復雜指令 的存在，執(zhí)行速度無法提高的存在，執(zhí)行速度無法提高RISC（Reduced Instruction Set Computer）CISC（Complex Instruction Set Computer）

42、 RISC技術技術 能否用能否用 20% 的簡單指令組合不常用的的簡單指令組合不常用的 80% 的指令功能的指令功能？二、二、RISC RISC 的主要特征的主要特征 選用使用頻度較高的一些選用使用頻度較高的一些 簡單指令簡單指令， 復雜指令的功能由簡單指令來組合復雜指令的功能由簡單指令來組合 指令指令 長度固定長度固定、指令格式種類少指令格式種類少、尋址方式少尋址方式少 只有只有 LOAD / STORE 指令訪存指令訪存 采用采用 流水技術流水技術 一個時鐘周期一個時鐘周期 內完成一條指令內完成一條指令 采用采用 組合邏輯組合邏輯 實現控制器實現控制器 CPU 中有中有多個多個 通用通用

43、寄存器寄存器 采用采用 優(yōu)化優(yōu)化 的的 編譯編譯 程序程序 三、三、CISC 的主要特征的主要特征 系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令 復雜龐大復雜龐大，各種指令使用頻度相差大，各種指令使用頻度相差大 指令指令 長度不固定長度不固定、指令格式種類多指令格式種類多、尋址方式多尋址方式多 訪存訪存 指令指令 不受限制不受限制 大大多數指令需要多數指令需要 多個時鐘周期多個時鐘周期 執(zhí)行完畢執(zhí)行完畢 采用采用 微程序微程序 控制器控制器 CPU 中設有中設有 專用寄存器專用寄存器 難以難以 用用 優(yōu)化編譯優(yōu)化編譯 生成高效的目的代碼生成高效的目的代碼 四、四、RISC和和CISC 的比較的比較 1. RISC更能更能

44、 充分利用充分利用 VLSI 芯片芯片的面積的面積2. RISC 更能更能 提高計算機運算速度提高計算機運算速度指令數指令數、指令格式指令格式、尋址方式少尋址方式少，通用通用 寄存器多寄存器多，采用，采用 組合邏輯組合邏輯 ，便于實現便于實現 指令流水指令流水3. RISC 便于設計便于設計，可，可 降低成本降低成本，提高，提高 可靠性可靠性4. RISC 有利于編譯程序代碼優(yōu)化有利于編譯程序代碼優(yōu)化 5. RISC 不易不易 實現實現 指令系統(tǒng)兼容指令系統(tǒng)兼容 8.1 CPU 的結構的結構8.3 指令流水指令流水8.2 指令周期指令周期8.4 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)一、一、 指令周期的基本概念指令

45、周期的基本概念1 . 指令周期指令周期取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間完成一條指令完成一條指令執(zhí)行執(zhí)行取指、分析取指、分析取指階段取指階段取指周期取指周期執(zhí)行階段執(zhí)行階段執(zhí)行周期執(zhí)行周期（取指、分析）（取指、分析）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期2. 每條指令的指令周期不同每條指令的指令周期不同取指周期取指周期指令周期指令周期取指周期取指周期 執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期NOPADD mem MUL mem取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期3. 具有間接尋址的指令周期具有間接尋址的指令周期4. 帶有中斷周

46、期的指令周期帶有中斷周期的指令周期取指周期取指周期間址周期間址周期指令周期指令周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期間址周期間址周期指令周期指令周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期5. 指令周期流程指令周期流程取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期有間址嗎？有間址嗎？有中斷嗎？有中斷嗎？間址周期間址周期中斷周期中斷周期是是是是否否否否6. CPU 工作周期的標志工作周期的標志CPU 訪存有四種性質訪存有四種性質取取 指令指令取取 地址地址取取 操作數操作數存存 程序斷點程序斷點取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期FEDINDDINTDCLK1FE1IND1EX1INTEXD

47、CPU 的的4個工作周期個工作周期一、如何提高機器速度一、如何提高機器速度1. 提高訪存速度提高訪存速度2. 提高提高 I/O 和主機之間的傳送速度和主機之間的傳送速度 提高整機處理能力提高整機處理能力高速芯片高速芯片Cache多體并行多體并行I/O 處理機處理機DMA多總線多總線通道通道高速器件高速器件改進系統(tǒng)結構改進系統(tǒng)結構 ，開發(fā)系統(tǒng)的并行性開發(fā)系統(tǒng)的并行性中斷中斷3. 提高運算器速度提高運算器速度高速芯片高速芯片改進算法改進算法快速進位鏈快速進位鏈二、系統(tǒng)的并行性二、系統(tǒng)的并行性時間上互相重疊時間上互相重疊2. 并行性的等級并行性的等級指令級（指令之間）指令級（指令之間）（指令內部）（

48、指令內部）過程級（程序、進程）過程級（程序、進程）兩個或兩個以上事件在兩個或兩個以上事件在 同一時刻同一時刻 發(fā)生發(fā)生兩個或兩個以上事件在兩個或兩個以上事件在 同一時間段同一時間段 發(fā)生發(fā)生并行并行1. 并行的概念并行的概念粗粒度粗粒度軟件實現軟件實現細粒度細粒度硬件實現硬件實現并發(fā)并發(fā)同時同時取指令取指令 3執(zhí)行指令執(zhí)行指令 3三、指令流水原理三、指令流水原理2. 指令的二級流水指令的二級流水1. 指令的串行執(zhí)行指令的串行執(zhí)行取指令取指令 取指令部件取指令部件 完成完成總有一個部件總有一個部件 空閑空閑指令預取指令預取若若 取指取指 和和 執(zhí)行執(zhí)行 階段時間上階段時間上 完全重疊完全重疊指令

49、周期指令周期 減半減半 速度提高速度提高 1 倍倍執(zhí)行指令執(zhí)行指令 執(zhí)行指令部件執(zhí)行指令部件 完成完成取指令取指令 1執(zhí)行執(zhí)行指令指令 1取取指令指令 2執(zhí)行執(zhí)行指令指令 2取取指令指令 3執(zhí)行指令執(zhí)行指令 3取指令取指令 2執(zhí)行指令執(zhí)行指令 2取指令取指令 1執(zhí)行指令執(zhí)行指令 1 必須等必須等 上條上條 指令執(zhí)行結束，才能確定指令執(zhí)行結束，才能確定 下條下條 指令的地址，指令的地址， 造成時間損失造成時間損失3. 影響指令流水效率加倍的因素影響指令流水效率加倍的因素(1) 執(zhí)行時間執(zhí)行時間 取指時間取指時間 (2) 條件轉移指令條件轉移指令 對指令流水的影響對指令流水的影響 解決辦法解決辦法

50、 ？取指令取指令部件部件指令部件指令部件緩沖區(qū)緩沖區(qū)執(zhí)行指令執(zhí)行指令部件部件猜測法猜測法4. 指令的六級流水指令的六級流水六級流水六級流水14 個時間單位個時間單位串行執(zhí)行串行執(zhí)行6 9 54個時間單位個時間單位完成完成 一條指令一條指令6 個時間單位個時間單位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令 8指令指令 9 1 2 3

51、4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t指令指令 1 與指令與指令 4 沖突沖突指令指令 2 與指令與指令 5 沖突沖突指令指令1、指令、指令3、指令、指令 6 沖突沖突COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令 8指令指令 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t三、影響指令流水線性能的

52、因素三、影響指令流水線性能的因素1. 結構相關結構相關不同指令爭用同一功能部件產生資源沖突不同指令爭用同一功能部件產生資源沖突程序的相近指令之間出現某種關聯程序的相近指令之間出現某種關聯使指令流水出現停頓，影響流水線效率使指令流水出現停頓，影響流水線效率解決辦法解決辦法 停頓停頓 指令存儲器和數據存儲器分開指令存儲器和數據存儲器分開 指令預取技術指令預取技術 （適用于訪存周期短的情況）（適用于訪存周期短的情況）2. 數據相關數據相關不同指令因重疊操作，可能改變操作數的不同指令因重疊操作，可能改變操作數的 讀讀/寫寫 訪問順序訪問順序 采用采用 旁路技術旁路技術解決辦法解決辦法 寫后讀相關（寫后

53、讀相關（RAW）SUB R1，R2，R3ADD R4，R5，R1；（；（R2） （R3） R1；（；（R5）+（R1） R4 讀后寫相關（讀后寫相關（WAR）STA M，R2ADD R2，R4，R5；（；（R2） M 存儲單元存儲單元；（；（R4）+（R5） R2 寫后寫相關（寫后寫相關（WAW） 后推法后推法MUL R3，R2，R1SUB R3，R4，R5；（；（R2） （R1） R3；（；（R4） （R5） R33. 控制相關控制相關BNE 指令必須等指令必須等CPX 指令的結果指令的結果才能判斷出才能判斷出是轉移是轉移還是順序執(zhí)行還是順序執(zhí)行LDA # 0LDX # 0INXCPX #

54、NBNE MDIV # NSTA ANSADD X, DM由轉移指令引起由轉移指令引起3. 控制相關控制相關WOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令15指令指令16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14轉移損失轉移損失t設設 指令指令3 是轉移指令是轉移指令四、流水線性能四、流水線性能 1. 吞吐率吞吐率 單位時間內單位時間內 流水線所完成指令流水線所完成指

55、令 或或 輸出結果輸出結果 的的 數量數量 最大吞吐率最大吞吐率 實際吞吐率實際吞吐率 連續(xù)處理連續(xù)處理 n 條指令的吞吐率為條指令的吞吐率為設設 m 段的流水線各段時間為段的流水線各段時間為t tTpmax =1t tTp =m + (n-1) nt tt t2. 加速比加速比 Sp m 段的段的 流水線的速度流水線的速度 與等功能的與等功能的 非流水線的速度非流水線的速度 之比之比 設流水線各段時間為設流水線各段時間為 t 完成完成 n 條指令在條指令在 m 段流水線上共需段流水線上共需 T = m + (n-1) t t 完成完成 n 條指令在等效的非流水線上共需條指令在等效的非流水線上

56、共需 T = nmt Sp = m +(n-1) nm =nmm + n -1 t t t 則則由于流水線有由于流水線有 建立時間建立時間 和和 排空時間排空時間因此各功能段的因此各功能段的 設備不可能設備不可能 一直一直 處于處于 工作工作 狀態(tài)狀態(tài) 流水線中各功能段的流水線中各功能段的 利用率利用率3. 效率效率 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT時間時間S空間空間空間空間S4S3S2S1(n-1) tm(m + n -1) t = mnt 流水線各段處于工作時間的時空區(qū)流水線各段處于工作時間的時空區(qū)流水線中各段總的時空區(qū)流水線中各段總

57、的時空區(qū) 效率效率 = 3. 效率效率 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT時間時間S空間空間空間空間S4S3S2S1(n-1) t流水線中各功能段的流水線中各功能段的 利用率利用率一、概述一、概述1. 引起中斷的各種因素引起中斷的各種因素(1) 人為設置的中斷人為設置的中斷(2) 程序性事故程序性事故如如 轉管指令轉管指令溢出、操作碼不能識別、除法非法溢出、操作碼不能識別、除法非法(5) 外部事件外部事件(4) I/O 設備設備(3) 硬件故障硬件故障用用 鍵盤中斷鍵盤中斷 現行程序現行程序轉管指令轉管指令管理程序管理程序2. 中斷系統(tǒng)需解

58、決的問題中斷系統(tǒng)需解決的問題(1) 各中斷源各中斷源 如何如何 向向 CPU 提出請求提出請求 ？(2) 各中斷源各中斷源 同時同時 提出提出 請求請求 怎么辦怎么辦 ？(5) 如何如何 尋找入口地址尋找入口地址 ？(4) 如何如何 保護現場保護現場 ？(3) CPU 什么什么 條件條件、什么、什么 時間時間、以什么以什么 方式方式 響應中斷響應中斷 ？(6) 如何如何 恢復現場恢復現場，如何，如何 返回返回 ？(7) 處理中斷的過程中又處理中斷的過程中又 出現新的中斷出現新的中斷 怎么辦怎么辦 ？硬件硬件 軟件軟件四、中斷響應四、中斷響應1. 響應中斷的響應中斷的 條件條件允許中斷觸發(fā)器允許

59、中斷觸發(fā)器 EINT = 12. 響應中斷的響應中斷的 時間時間指令執(zhí)行周期結束時刻由指令執(zhí)行周期結束時刻由CPU 發(fā)查詢信號發(fā)查詢信號 CPU中斷查詢中斷查詢INTR1DQINTR2DQINTRnDQ中斷源中斷源 1中斷源中斷源 2中斷源中斷源 n至排隊器至排隊器3. 中斷隱指令中斷隱指令(1) 保護程序斷點保護程序斷點(2) 尋找服務程序入口地址尋找服務程序入口地址(3) 硬件硬件 關中斷關中斷向量地址向量地址形成部件形成部件INTSQREINTSQRPC 1 &1排隊器排隊器斷點存于斷點存于 特定地址特定地址（ 0 號地址）號地址） 內內斷點斷點 進棧進棧INT 中斷標記中斷標記EINT

60、 允許中斷允許中斷R S 觸發(fā)器觸發(fā)器向量地址向量地址PC （硬件向量法）（硬件向量法）中斷識別程序中斷識別程序 入口地址入口地址MPC（軟件查詢法）（軟件查詢法）五、保護現場和恢復現場五、保護現場和恢復現場1. 保護現場保護現場2. 恢復現場恢復現場寄存器寄存器 內容內容斷點斷點保護現場保護現場其它服務程序其它服務程序恢復現場恢復現場中斷返回中斷返回PUSH視不同請求源而定視不同請求源而定POP中斷服務程序中斷服務程序 完成完成中中斷斷服服務務程程序序中斷隱指令中斷隱指令 完成完成中斷服務程序中斷服務程序 完成完成IRET &3. 屏蔽技術屏蔽技術(1) 屏蔽觸發(fā)器的作用屏蔽觸發(fā)器的作用MA