計(jì)算機(jī)組成原理第八章CPU的結(jié)構(gòu)和功能

第八章CPU的結(jié)構(gòu)和功能8.1CPU的結(jié)構(gòu)8.3指令流水8.2指令周期8.4中斷系統(tǒng)8.1CPU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PCIR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8.12.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)部數(shù)據(jù)總線CPU寄存器CU中斷系統(tǒng)ALU控制信號(hào)…8.11.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(zhǎng)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8.12.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MARMDRIR

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Z80008086MC68000MARMMDRIR8.1四、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)參見第四篇五、ALU參見8.4參見第六章8.18.2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(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)行階段指令周期取指周期執(zhí)行周期指令周期NOPADDmemMULmem8.23.具有間接尋址的指令周期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8.25.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8.26.CPU工作周期的標(biāo)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(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8.21.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+18.22.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MDR8.23.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MDRCUMARCPU地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線PC存儲(chǔ)器8.28.3指令流水一、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多體并行多總線DMAI/O處理機(jī)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）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)同時(shí)8.3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18.3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(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8.34.指令的六級(jí)流水六級(jí)流水14個(gè)時(shí)間單位串行執(zhí)行6×9＝54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91234567891011121314t8.3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……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91234567891011121314t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(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）8.32.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)8.3WOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI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161234567891011121314轉(zhuǎn)移損失t設(shè)指令3是轉(zhuǎn)移指令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#NBNEMDIV#NSTAANSADDX,DM(2)數(shù)據(jù)相關(guān)幾條相近的指令間，共用同一存儲(chǔ)單元或同一寄存器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)ADDR1，R2如：SUBR1，R3采用旁路技術(shù)解決辦法寄存器組鎖存器鎖存器ALU8.3四、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IFIDEX

WR0123

45

678

910111213t8.32.超流水技術(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IFIDEXWR0

1

2

345

67

8

9

10111213t8.33.超長(zhǎng)指令字采用多個(gè)處理部件具有多個(gè)操作碼字段的超長(zhǎng)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IFIDEXWR012345678910111213t8.3五、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(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8.32.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8.38.4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(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8.4二、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掉電過熱階上溢內(nèi)存讀寫校驗(yàn)錯(cuò)非法除法鍵盤打印機(jī)8.42.中斷判優(yōu)邏輯①

分散在各個(gè)中斷源的接口電路中鏈?zhǔn)脚抨?duì)器②集中在CPU

內(nèi)(1)硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器）111&1

&1&參見第五章INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1、

INTR2、

INTR3、

INTR4

優(yōu)先級(jí)按降序排列

INTP1INTP2INTP3INTP48.4A、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8.4三、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40012H13H14H主存12H13H14HJMP200JMP300JMP400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、4008.42.軟件查詢法中斷識(shí)別程序（入口地址M）地址說明指令

M

JMP1#SR1#D=1轉(zhuǎn)1#服務(wù)程序

SKPDZ2#

JMP2#SR2#D=0跳2#D=1轉(zhuǎn)2#服務(wù)程序

SKPDZ8#

JMP8#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…………8.4

SKPDZ1#1#D=0跳（D為完成觸發(fā)器）四、中斷響應(yīng)1.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8.43.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8.4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)場(chǎng)其他服務(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8.4IRET1.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)8.42.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）D8.4

&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”

1

&

&

&

1

1

1

1INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4MASK1MASK2MASK3MASK4DQ1DINTR

MASKQCPU查詢MASKi

=1（屏蔽）INTPi

=0（不能被排隊(duì)選中）8.4(2)屏蔽字優(yōu)先級(jí)屏蔽字111111111111111101111111111111110011111111111111000111111111