1、第章第章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)構(gòu)和功能8.1 CPU 的結(jié)構(gòu)8.3 指令流水8.2 指令周期8.4 中斷系統(tǒng)8.1 CPU 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一、 CPU 的功能取指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出總線管理處理異常情況和特殊請(qǐng)求1. 控制器的功能2. 運(yùn)算器的功能實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算指令控制操作控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工處理中斷二、CPU 結(jié)構(gòu)框圖PC IR指令控制操作控制時(shí)間控制數(shù)據(jù)加工處理中斷ALU 寄存器中斷系統(tǒng)1. CPU 與系統(tǒng)總線CU 時(shí)序電路寄存器ALU 中斷 系統(tǒng)CUCPU控制總線數(shù)據(jù)總線地址總線2. CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 算術(shù)和布爾邏輯取反移位狀態(tài)標(biāo)志內(nèi)部

2、 數(shù)據(jù)總線寄存器CU中斷系統(tǒng)ALU控制信號(hào)C P U1. 用戶可見寄存器(1) 通用寄存器三、 CPU 的寄存器存放操作數(shù)可作 某種尋址方式所需的 專用寄存器(2) 數(shù)據(jù)寄存器存放操作數(shù)（滿足各種數(shù)據(jù)類型）兩個(gè)寄存器拼接存放雙倍字長數(shù)據(jù)(3) 地址寄存器存放地址，其位數(shù)應(yīng)滿足最大的地址范圍用于特殊的尋址方式 段基值 棧指針(4) 條件碼寄存器存放條件碼，可作程序分支的依據(jù)如 正、負(fù)、零、溢出、進(jìn)位等2. 控制和狀態(tài)寄存器(1) 控制寄存器PC控制 CPU 操作(2) 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器其中 MAR、MDR、IR 用戶不可見 存放條件碼PSW 寄存器存放程序狀態(tài)字 PC 用戶可見 3. 舉例Z

3、8000 8086 MC 68000MARMMDRIR四、 控制單元 CU 和中斷系統(tǒng)1. CU 產(chǎn)生全部指令的微操作命令序列組合邏輯設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)硬連線邏輯存儲(chǔ)邏輯2. 中斷系統(tǒng)參見 第篇 五、ALU參見 8.4 節(jié)參見 第章8.2 指指 令令 周周 期期一、 指令周期的基本概念1 . 指令周期取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間完成一條指令執(zhí)行取指、分析取指階段取指周期執(zhí)行階段執(zhí)行周期（取指、分析）（執(zhí)行指令）指令周期取指周期執(zhí)行周期2. 每條指令的指令周期不同取指周期指令周期取指周期 執(zhí)行周期指令周期NOPADD mem MUL mem取指周期執(zhí)行周期指令周期3. 具有間接尋址的指令周期4.

4、 帶有中斷周期的指令周期取指周期間址周期指令周期執(zhí)行周期取指周期間址周期指令周期執(zhí)行周期中斷周期5. 指令周期流程取指周期執(zhí)行周期有間址嗎？有中斷嗎？間址周期中斷周期是是否否6. CPU 工作周期的標(biāo)志CPU 訪存有四種性質(zhì)取 指令取 地址取 操作數(shù)存 程序斷點(diǎn)取指周期間址周期執(zhí)行周期中斷周期FEDINDDINTDCLK1FE1IND1EX1INTEXDCPU 的4個(gè)工作周期1. 取指周期數(shù)據(jù)流二、 指令周期的數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲(chǔ)器CPU地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線IR+1 2. 間址周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線PCIR存儲(chǔ)器MDR3. 執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流4

5、. 中斷周期數(shù)據(jù)流不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同MDRCUMARCPU地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線PC存儲(chǔ)器8.3 指指 令令 流流 水水一、如何提高機(jī)器速度1. 提高訪存速度2. 提高 I/O 和主機(jī)之間的傳送速度 提高整機(jī)處理能力高速芯片Cache多體并行I/O 處理機(jī)DMA多總線通道高速器件改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，開發(fā)系統(tǒng)的并行性中斷3. 提高運(yùn)算器速度高速芯片改進(jìn)算法快速進(jìn)位鏈二、系統(tǒng)的并行性時(shí)間上互相重疊2. 并行性的等級(jí)指令級(jí)（指令之間）（指令內(nèi)部）過程級(jí)（程序、進(jìn)程）兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在 同一時(shí)刻 發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在 同一時(shí)間段 發(fā)生并行1. 并行的概念粗粒度軟件實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度硬件實(shí)現(xiàn)并發(fā)同

6、時(shí)取指令 3執(zhí)行指令 3三、指令流水原理2. 指令的二級(jí)流水1. 指令的串行執(zhí)行取指令 取指令部件 完成總有一個(gè)部件 空閑指令預(yù)取若 取指 和 執(zhí)行 階段時(shí)間上 完全重疊指令周期 減半 速度提高 1 倍執(zhí)行指令 執(zhí)行指令部件 完成取指令 1執(zhí)行指令 1取指令 2執(zhí)行指令 2取指令 3執(zhí)行指令 3取指令 2執(zhí)行指令 2取指令 1執(zhí)行指令 1 必須等 上條 指令執(zhí)行結(jié)束，才能確定 下條 指令的地址， 造成時(shí)間損失3. 影響指令流水效率加倍的因素(1) 執(zhí)行時(shí)間 取指時(shí)間 (2) 條件轉(zhuǎn)移指令 對(duì)指令流水的影響 解決辦法 ？取指令部件指令部件緩沖區(qū)執(zhí)行指令部件猜測(cè)法4. 指令的六級(jí)流水六級(jí)流水14

7、個(gè)時(shí)間單位串行執(zhí)行6 9 54個(gè)時(shí)間單位完成 一條指令6 個(gè)時(shí)間單位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令 1指令 2指令 3指令 4指令 5指令 6指令 7指令 8指令 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t指令 1 與指令 4 沖突指令 2 與指令 5 沖突指令1、指令3、指令 6 沖突COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIF

8、ICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令 1指令 2指令 3指令 4指令 5指令 6指令 7指令 8指令 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t四、影響指令流水線性能的因素1. 結(jié)構(gòu)相關(guān)不同指令爭用同一功能部件產(chǎn)生資源沖突程序的相近指令之間出現(xiàn)某種關(guān)聯(lián)使指令流水出現(xiàn)停頓，影響流水線效率解決辦法 停頓 指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開 指令預(yù)取技術(shù) （適用于訪存周期短的情況）2. 數(shù)據(jù)相關(guān)不同指令因重疊操作，可能改變操作數(shù)的 讀/寫 訪問順序 采用 旁路技術(shù)解決辦法 寫后讀相關(guān)（RAW

9、）SUB R1，R2，R3ADD R4，R5，R1；（R2） （R3） R1；（R5）+（R1） R4 讀后寫相關(guān)（WAR）STA M，R2ADD R2，R4，R5；（R2） M 存儲(chǔ)單元；（R4）+（R5） R2 寫后寫相關(guān)（WAW） 后推法MUL R3，R2，R1SUB R3，R4，R5；（R2） （R1） R3；（R4） （R5） R33. 控制相關(guān)BNE 指令必須等CPX 指令的結(jié)果才能判斷出是轉(zhuǎn)移還是順序執(zhí)行LDA # 0LDX # 0INXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSADD X, DM由轉(zhuǎn)移指令引起3. 控制相關(guān)WOEIFOCODIWOEIFODIFIFID

10、IFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI指令 1指令 2指令 3指令 4指令 5指令 6指令 7指令15指令16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14轉(zhuǎn)移損失t設(shè) 指令3 是轉(zhuǎn)移指令五、流水線性能 1. 吞吐率 單位時(shí)間內(nèi) 流水線所完成指令 或 輸出結(jié)果 的 數(shù)量 最大吞吐率 實(shí)際吞吐率 連續(xù)處理 n 條指令的吞吐率為設(shè) m 段的流水線各段時(shí)間為tTpmax =1tTp =m + (n-1) ntt2. 加速比 Sp m 段的 流水線的速度 與等功能的 非流水線的速度 之比 設(shè)流水線各段時(shí)間為

11、 t 完成 n 條指令在 m 段流水線上共需 T = m + (n-1) t t 完成 n 條指令在等效的非流水線上共需 T = nmt Sp = m +(n-1) nm =nmm + n -1 t t t 則由于流水線有 建立時(shí)間 和 排空時(shí)間因此各功能段的 設(shè)備不可能 一直 處于 工作 狀態(tài) 流水線中各功能段的 利用率3. 效率 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT時(shí)間S空間空間S4S3S2S1(n-1) tm(m + n -1) t = mnt 流水線各段處于工作時(shí)間的時(shí)空區(qū)流水線中各段總的時(shí)空區(qū) 效率 = 3. 效率 mt312453

12、12453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT時(shí)間S空間空間S4S3S2S1(n-1) t流水線中各功能段的 利用率六、流水線的多發(fā)技術(shù) 1. 超標(biāo)量技術(shù) 每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可 并發(fā)多條獨(dú)立指令 不能調(diào)整 指令的 執(zhí)行順序配置多個(gè)功能部件 通過編譯優(yōu)化技術(shù)，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來IF ID EX WR0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13時(shí)鐘周期指令序列2. 超流水線技術(shù) 在 一個(gè)時(shí)鐘周期 內(nèi) 再分段 （ 3 段） 不能調(diào)整 指令的 執(zhí)行順序在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi) 一個(gè)功能部件使用多次（ 3 次）靠編譯程序解決優(yōu)化問題流水線速度是原來速度的 3 倍I

13、F ID EX WR0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13時(shí)鐘周期指令序列3. 超長指令字技術(shù) 采用 多個(gè)處理部件具有 多個(gè)操作碼字段 的 超長指令字（可達(dá)幾百位） 由編譯程序 挖掘 出指令間 潛在 的 并行性，將 多條 能 并行操作 的指令組合成 一條IF ID EX WR0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13時(shí)鐘周期指令序列七、流水線結(jié)構(gòu)1. 指令流水線結(jié)構(gòu)完成一條指令分 7 段， 每段需一個(gè)時(shí)鐘周期若 流水線不出現(xiàn)斷流1 個(gè)時(shí)鐘周期出 1 結(jié)果不采用流水技術(shù)7 個(gè)時(shí)鐘周期出 1 結(jié)果理想情況下，7 級(jí)流水 的速度是不采用流水技術(shù)的 7 倍地

14、址形成部件指令譯碼部件取操作數(shù)部件取指令部件操作執(zhí)行部件回寫結(jié)果部件修改指令指針部件鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存2. 運(yùn)算流水線完成 浮點(diǎn)加減 運(yùn)算 可分對(duì)階、尾數(shù)求和、規(guī)格化 三段分段原則 每段 操作時(shí)間 盡量 一致鎖存器對(duì)階功能部件第一段尾數(shù)加部件鎖存器第二段規(guī)格化部件鎖存器第三段8.4 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)一、概述1. 引起中斷的各種因素(1) 人為設(shè)置的中斷(2) 程序性事故如 轉(zhuǎn)管指令溢出、操作碼不能識(shí)別、除法非法(5) 外部事件(4) I/O 設(shè)備(3) 硬件故障用 鍵盤中斷 現(xiàn)行程序轉(zhuǎn)管指令管理程序2. 中斷系統(tǒng)需解決的問題(1) 各中斷源 如何 向 CPU 提出請(qǐng)求 ？(2) 各中斷源

15、 同時(shí) 提出 請(qǐng)求 怎么辦 ？(5) 如何 尋找入口地址 ？(4) 如何 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) ？(3) CPU 什么 條件、什么 時(shí)間、以什么 方式 響應(yīng)中斷 ？(6) 如何 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，如何 返回 ？(7) 處理中斷的過程中又 出現(xiàn)新的中斷 怎么辦 ？硬件 軟件二、中斷請(qǐng)求標(biāo)記和中斷判優(yōu)邏輯1. 中斷請(qǐng)求標(biāo)記 INTR一個(gè)請(qǐng)求源 一個(gè) INTR 中斷請(qǐng)求標(biāo)記觸發(fā)器多個(gè)INTR 組成 中斷請(qǐng)求標(biāo)記寄存器INTR 分散 在各個(gè)中斷源的 接口電路中INTR 集中 在 CPU 的中斷系統(tǒng) 內(nèi)12345n掉電過熱階上溢主存讀寫校驗(yàn)錯(cuò)非法除法鍵盤輸入打印機(jī)輸出2. 中斷判優(yōu)邏輯 分散 在各個(gè)中斷源的 接口電路中 鏈

16、式排隊(duì)器 集中 在 CPU 內(nèi)(1) 硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器） 1 1 1 & 1 & 1 &參見 第五章INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1 、 INTR2 、 INTR3 、 INTR4 優(yōu)先級(jí) 按 降序 排列 INTP1INTP2INTP3INTP4A、B、C 優(yōu)先級(jí)按 降序 排列(2) 軟件實(shí)現(xiàn)（程序查詢）否是否 A 請(qǐng)求？是否 B 請(qǐng)求？是否 C 請(qǐng)求？轉(zhuǎn) A 的服務(wù)程序入口地址轉(zhuǎn) B 的服務(wù)程序入口地址轉(zhuǎn) C 的服務(wù)程序入口地址是是是否否三、中斷服務(wù)程序入口地址的尋找1. 硬件向量法入口地址 200入口地址 300入口地址 40012 H13 H14

17、 H主存12 H13 H14 HJMP 200JMP 300JMP 400主存向量地址形成部件中斷向量排隊(duì)器輸出向量地址 12H、13H、14H入口地址 200、 300、 4002. 軟件查詢法 M JMP 1# SR1# D = 1 轉(zhuǎn)1# 服務(wù)程序 SKP DZ 2# JMP 2# SR2# D = 0 跳2# D = 1 轉(zhuǎn)2# 服務(wù)程序 SKP DZ 8# JMP 8# SR8# D = 0 跳8# D = 1 轉(zhuǎn)8# 服務(wù)程序八個(gè)中斷源 1，2， 8 按 降序 排列 SKP DZ 1#1# D = 0 跳（D為完成觸發(fā)器）中斷識(shí)別程序（入口地址 M）地 址說 明指 令四、中斷響應(yīng)1

18、. 響應(yīng)中斷的 條件允許中斷觸發(fā)器 EINT = 12. 響應(yīng)中斷的 時(shí)間指令執(zhí)行周期結(jié)束時(shí)刻由CPU 發(fā)查詢信號(hào) CPU中斷查詢INTR1DQINTR2DQINTRnDQ中斷源 1中斷源 2中斷源 n至排隊(duì)器3. 中斷隱指令(1) 保護(hù)程序斷點(diǎn)(2) 尋找服務(wù)程序入口地址(3) 硬件 關(guān)中斷向量地址形成部件INTSQREINTSQRPC 1 &1排隊(duì)器斷點(diǎn)存于 特定地址（ 0 號(hào)地址） 內(nèi)斷點(diǎn) 進(jìn)棧INT 中斷標(biāo)記EINT 允許中斷R S 觸發(fā)器向量地址PC（硬件向量法）中斷識(shí)別程序 入口地址MPC（軟件查詢法）五、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)1. 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)2. 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)寄存器 內(nèi)容斷點(diǎn)保護(hù)現(xiàn)

19、場(chǎng)其它服務(wù)程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回PUSH視不同請(qǐng)求源而定POP中斷服務(wù)程序 完成中斷服務(wù)程序中斷隱指令 完成中斷服務(wù)程序 完成IRET1. 多重中斷的概念klmk +1l +1m +1第一次 中斷第二次 中斷第三次 中斷程序斷點(diǎn) k+1 , l+1 , m+1六、中斷屏蔽技術(shù)2. 實(shí)現(xiàn)多重中斷的條件B、CA中斷請(qǐng)求主程序(2) 優(yōu)先級(jí)別高 的中斷源 有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低 的中斷源(1) 提前 設(shè)置 開中斷 指令A(yù)BCD中斷服務(wù)程序（ A、B、 C、 D 優(yōu)先級(jí)按 降序 排列）D &3. 屏蔽技術(shù)(1) 屏蔽觸發(fā)器的作用MASK = 0（未屏蔽）INTR 能被置 “1” & &

20、; & & 1 1 1 1INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4MASK1MASK2MASK3MASK4DQ 1 DINTR MASKQCPU查詢MASKi = 1 （屏蔽）INTPi = 0 （不能被排隊(duì)選中）(2) 屏蔽字優(yōu)先級(jí)屏 蔽 字 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1123456151616個(gè)中斷源 1，2，3 ， 16 按 降序 排列(3) 屏蔽技術(shù)可改變處理優(yōu)先等級(jí)響應(yīng)優(yōu)先級(jí)響應(yīng)優(yōu)先級(jí) ABCD 降序排列 不可