1、第八章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能,更多資料下載：,8.1 CPU 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求,1. 控制器的功能,2. 運算器的功能,實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算,指令控制,操作控制,時間控制,數(shù)據(jù)加工,處理中斷,二、CPU 結(jié)構(gòu)框圖,PC IR,ALU 寄存器,中斷系統(tǒng),1. CPU 與系統(tǒng)總線,CU 時序電路,8.1,2. CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu),8.1,1. 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

2、數(shù)（滿足各種數(shù)據(jù)類型）,兩個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、零、溢出、進位等,8.1,2. 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,Z8000 8086 MC 68000,MAR,M,MDR,IR,8.1,四、 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

3、序列,2. 中斷系統(tǒng),參見 第四篇,五、ALU,參見 8.4,參見 第六章,8.1,8.2 指 令 周 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間,完成一條指令,執(zhí)行,取指、分析,取指周期,執(zhí)行周期,2. 每條指令的指令周期不同,NOP,ADD mem,MUL mem,8.2,3. 具有間接尋址的指令周期,4. 帶有中斷周期的指令周期,8.2,5. 指令周期流程,取指周期,執(zhí)行周期,間址周期,中斷周期,8.2,6. CPU 工作周期的標志,CPU 訪存有 4 種性質(zhì),取 指令,取 地址,取 操作數(shù),存 程序斷點,取指周期,間址周期,執(zhí)行周期,中斷周期,CP

4、U 的 4個工作周期,8.2,1. 取指周期數(shù)據(jù)流,二、 指令周期的數(shù)據(jù)流,CU,MAR,PC,8.2,2. 間址周期數(shù)據(jù)流,8.2,3. 執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流,4 . 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,8.2,8.3 指 令 流 水,一、如何提高機器速度,1. 提高訪存速度,2. 提高 I/O 和主機之間的傳送速度,提高整機處理能力,高速芯片,Cache,多體并行,多總線,DMA,I/O 處理機,通道,高速器件,改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，開發(fā)系統(tǒng)的并行性,中斷,3. 提高運算器速度,高速芯片,改進算法,快速進位鏈,二、系統(tǒng)的并行性,時間上互相重疊,2. 并行性的等級,指令級（指令之間）,過程級（

5、程序、進程）,兩個或兩個以上事件在 同一時刻 發(fā)生,兩個或兩個以上事件在 同一時間段 發(fā)生,并行,1. 并行的概念,粗粒度,軟件實現(xiàn),細粒度,硬件實現(xiàn),8.3,三、指令流水原理,2. 指令的二級流水,1. 指令的串行執(zhí)行,取指令 取指令部件 完成,總有一個部件 空閑,指令預(yù)取,若 取指 和 執(zhí)行 階段時間上 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,8.3,必須等 上條 指令執(zhí)行結(jié)束，才能確定 下條 指令的地址 造成時間損失,3. 影響指令流水效率加倍的因素,(1) 執(zhí)行時間 取指時間,(2) 條件轉(zhuǎn)移指令 對指令流水的影響,解決辦法 ？,猜測法,8.3,4.

6、指令的六級流水,六級流水,14 個時間單位,串行執(zhí)行,6 9 54 時間單位,完成 一條指令,6 個時間單位,8.3,三、影響指令流水性能的因素,1. 訪存沖突,解決辦法, 指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開, 指令預(yù)取技術(shù) （適用于訪存周期短的情況）,8.3,2. 相關(guān)問題,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,(1) 控制相關(guān),8.3,(2) 數(shù)據(jù)相關(guān),幾條相近的指令間，共用 同一存儲單元 或 同一寄存器 時， 會出現(xiàn) 數(shù)據(jù)相關(guān),8.3,四、流水線的多發(fā)技術(shù),1. 超標量技術(shù),每個時鐘周期內(nèi)可 并發(fā)多條獨立指令,不能調(diào)整 指令的 執(zhí)行順序,配置多個功能部件,通過編譯優(yōu)

7、化技術(shù)，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來,8.3,2. 超流水技術(shù),在 一個時鐘周期 內(nèi) 再分段 （ 3 段）,不能調(diào)整 指令的 執(zhí)行順序,在一個時鐘周期內(nèi) 一個功能部件使用多次（ 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,8.3,3. 超長指令字,采用 多個處理部件,8.3,五、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， 每段需一個時鐘周期,若 流水線不出現(xiàn)斷流,1 個時鐘周期出 1 結(jié)果,不采用流水技術(shù),7 個時鐘周期出 1 結(jié)果,理想情況下，7 級流水 的速度是不采用流水技術(shù)的 7 倍,8.3,2. 運算流水線,完成 浮點加減 運算 可分 對階、尾數(shù)求和

8、、規(guī)格化 三段,分段原則 每段 操作時間 盡量 一致,8.3,8.4 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,2. 中斷系統(tǒng)需解決的問題,(1) 各中斷源 如何 向 CPU 提出請求 ？,(2) 各中斷源 同時 提出 請求 怎么辦 ？,(5) 如何 尋找入口地址 ？,(4) 如何 保護現(xiàn)場 ？,(3) CPU 什么 條件、什么 時間、以什么 方式 響應(yīng)中斷 ？,(6) 如何 恢復(fù)現(xiàn)場，如何 返回 ？,(7) 處理中斷的

9、過程中又 出現(xiàn)新的中斷 怎么辦 ？,硬件 軟件,8.4,二、中斷請求標記和中斷判優(yōu)邏輯,1. 中斷請求標記 INTR,一個請求源 一個 INTR 中斷請求標記觸發(fā)器,多個INTR 組成 中斷請求標記寄存器,INTR 分散 在各個中斷源的 接口電路中,INTR 集中 在 CPU 的中斷系統(tǒng) 內(nèi),8.4,2. 中斷判優(yōu)邏輯, 分散 在各個中斷源的 接口電路中 鏈式排隊器, 集中 在 CPU 內(nèi),(1) 硬件實現(xiàn)（排隊器）,參見 第五章,INTR1,INTR2,INTR3,INTR4,INTR1 、 INTR2 、 INTR3 、 INTR4 優(yōu)先級 按 降序 排列,8.4,A、B、C 優(yōu)先級按 降

10、序 排列,(2) 軟件實現(xiàn)（程序查詢）,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,8.4,三、中斷服務(wù)程序入口地址的尋找,1. 硬件向量法,向量地址 12H、13H、14H 入口地址 200、 300、 400,8.4,2. 軟件查詢法,M,8.4,四、中斷響應(yīng),1. 響應(yīng)中斷的 條件,允許中斷觸發(fā)器 EINT = 1,2. 響應(yīng)中斷的 時間,指令執(zhí)行周期結(jié)束時刻由CPU 發(fā)查詢信號,CPU 中斷查詢,至排隊器,8.4,3. 中斷隱指令,(1) 保護程序斷點,(2) 尋找服務(wù)程序入口地址,(3) 硬件 關(guān)中斷,PC,斷點存于 特定地址（ 0 號地

11、址） 內(nèi),斷點 進棧,INT 中斷標記,EINT 允許中斷,R S 觸發(fā)器,8.4,五、保護現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場,1. 保護現(xiàn)場,2. 恢復(fù)現(xiàn)場,保護現(xiàn)場,其他服務(wù)程序,恢復(fù)現(xiàn)場,中斷返回,PUSH,視不同請求源而定,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,8.4,IRET,1. 多重中斷的概念,k,l,m,k +1,l +1,m +1,程序斷點 k+1 , l+1 , m+1,六、中斷屏蔽技術(shù),8.4,2. 實現(xiàn)多重中斷的條件,中斷 請求,主程序,(2) 優(yōu)先級別高 的中斷源 有權(quán)中斷優(yōu)先級別低 的中斷源,(1) 提前 設(shè)置 開中斷 指令,8.4,

12、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”,MASKi = 1 （屏蔽）,INTPi = 0 （不能被排隊選中）,8.4,(2) 屏蔽字,16個中斷源 1、2、3 16 按 降序 排列,8.4,(3) 屏蔽技術(shù)可改變優(yōu)先等級,(4) 屏蔽技術(shù)的其他作用,0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,6# 比 5# 優(yōu)先級高,便于程序控制,可以 人為地屏蔽 某個中斷源的請求,8.4,(1) 斷點進棧,(2) 斷點存入“ 0 ” 地址,中斷隱指令 完成,中斷周期,命令