計(jì)算機(jī)組成原理第8章.ppt

第八章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能,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(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,ALU 寄存器,中斷系統(tǒng),1. CPU 與系統(tǒng)總線,CU 時(shí)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,8.1,2. 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(shí)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(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,CPU 的 4個(gè)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(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,DMA,I/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） （指令內(nèi)部）,過(guò)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,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),8.3,三、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,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(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 ？,猜測(cè)法,8.3,4. 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 個(gè)時(shí)間單位,完成 一條指令,6 個(gè)時(shí)間單位,8.3,四、影響指令流水線性能的因素,1. 結(jié)構(gòu)相關(guān),8.3,不同指令爭(zhēng)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,8.3,寫后讀相關(guān)（RAW）,讀后寫相關(guān)（WAR）,寫后寫相關(guān)（WAW）,后推法,(2) 數(shù)據(jù)相關(guān),8.3,3. 控制相關(guān),8.3,由轉(zhuǎn)移指令引起,3. 控制相關(guān),8.3,五、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,8.3,最大吞吐率,平均吞吐率,(1) 最大吞吐率TPmax,最大吞吐率是指流水線在連續(xù)流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后所得到的吞吐率。 若流水線各段的時(shí)間相等，均為t0 ， 則： TPmax 1 /t0, 若流水線各段的時(shí)間不等，則：, 最大吞吐率取決于流水線中最慢的一段所 需的時(shí)間，這段就成了流水線的瓶頸。,1,maxti ,TPmax, 各段時(shí)間相等（設(shè)為t0） 假設(shè)流水線由 m 段組成，,(2) 實(shí)際吞吐率TP,流水線的實(shí)際吞吐率小于最大吞吐率。,連續(xù)處理 n 條指令的吞吐率為,完成 n 個(gè)任務(wù)所需的時(shí)間,實(shí)際吞吐率,TP TPmax 當(dāng)n m 時(shí)，TP TPmax,2. 加速比 Sp,8.3,m 段的 流水線的速度 與等功能的 非流水線的速度 之比,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),8.3,流水線中各功能段的 利用率,3. 效率,8.3,3. 效率,流水線中各功能段的 利用率,例8.1 假設(shè)指令流水線分取值（IF）、譯碼（DI）、執(zhí)行（EX）、回寫（WR）4個(gè)過(guò)程段，共有10條指令連續(xù)輸入此流水線。 （1）畫出指令周期流程。 （2）畫出非流水線時(shí)空?qǐng)D。 （3）畫出流水線時(shí)空?qǐng)D。 （4）假設(shè)時(shí)鐘周期為100ns，求流水線的吞吐率。 （5）求該流水處理器的加速比。,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(guò)編譯優(yōu)化技術(shù)，把可并行執(zhí)行的指令搭配起來(lái),8.3,2. 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(lái)速度的 3 倍,8.3,3. 超長(zhǎng)指令字技術(shù),采用 多個(gè)處理部件,8.3,七、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,8.3,2. 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,8.3,例：?jiǎn)喂δ堋⒕€性流水線，輸入任務(wù)是不連續(xù)的情況，計(jì)算流水線的吞吐率、加速比和效率。用一條4段浮點(diǎn)加法器流水線求8個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的和：Z=A+B+C+D+E+F+G+H 解：Z=（A+B）+（C+D）+（E+F）+（G+H） 7個(gè)浮點(diǎn)加法共用了15個(gè)時(shí)鐘周期，,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(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,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(guò)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),8.4,2. 中斷判優(yōu)邏輯, 分散 在各個(gè)中斷源的 接口電路中 鏈?zhǔn)脚抨?duì)器, 集中 在 CPU 內(nèi),(1) 硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器）,參見 第五章,INTR1,INTR2,INTR3,INTR4,INTR1 、 INTR2 、 INTR3 、 INTR4 優(yōu)先級(jí) 按 降序 排列,8.4,A、B、C 優(yōu)先級(jí)按 降序 排列,(2) 軟件實(shí)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(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,至排隊(duì)器,8.4,3. 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,PC,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,8.4,五、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),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,8.4,IRET,1. 多重中斷的概念,k,l,m,k +1,l +1,m +1,程序斷點(diǎn) k+1 , l+1 , m+1,六、中斷屏蔽技術(shù),8.4,2. 實(shí)現(xiàn)多重中斷的條件,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,8.4,3. 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”,MASKi = 1 （屏蔽）,INTPi = 0 （不能被排隊(duì)選中）,8.4,(2) 屏蔽字,16個(gè)中斷源 1、2、3 16 按 降序 排列,8.4,(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,8.4,不可改變,處理優(yōu)先級(jí),可改變（通過(guò)重新設(shè)置屏蔽字）,處理優(yōu)先級(jí) ADCB 降序排列,(3) 屏蔽技術(shù)可改變處理優(yōu)先等級(jí),8.4,(3) 屏蔽技術(shù)可改變處理優(yōu)先等級(jí),(4) 屏蔽技術(shù)的其他作用,8.4,便于程序控制,可以 人為地屏蔽 某個(gè)中斷源的請(qǐng)求,8.4,(5) 新屏蔽字的設(shè)置,置屏蔽字,恢復(fù)屏蔽字,關(guān)中斷,開中斷,例8.2 設(shè)某機(jī)有4個(gè)中斷源1、2、3、4，其硬件排隊(duì)優(yōu)先次序按1234降序排列，各中斷源的服務(wù)程序中所對(duì)應(yīng)的屏蔽字如表8.9所示。 （1）給出上述4個(gè)中斷源的中斷處理次序 （2）若4個(gè)中斷源同時(shí)有中斷請(qǐng)求，畫出CPU執(zhí)行程序的軌跡。,(1) 斷點(diǎn)進(jìn)棧,(2) 斷點(diǎn)存入“ 0 ” 地址,中斷隱指令 完成,中斷周期,命令存儲(chǔ)器寫,三次中斷，三個(gè)斷點(diǎn)都存入 “ 0 ” 地址,4. 多重中斷的斷點(diǎn)保護(hù),中斷隱指令 完成,8.4,(3) 程序斷點(diǎn)存入 “ 0 ” 地址的斷點(diǎn)保護(hù),SERVE,LDA SAVE,JMP RETURN,存程序斷點(diǎn),5 為向量地址,保護(hù)現(xiàn)場(chǎng),恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng),間址返回,存放 ACC 內(nèi)容,轉(zhuǎn)存 0 地址內(nèi)容,開中斷,ENI,8.4,