計(jì)算機(jī)組成原理(8

1、ALUCPU主機(jī)主機(jī)I/O設(shè)備設(shè)備CU主主存存CPUCUALU完成對(duì)數(shù)據(jù)完成對(duì)數(shù)據(jù)的暫存及運(yùn)的暫存及運(yùn)算處理算處理基本運(yùn)算規(guī)則基本運(yùn)算規(guī)則基本硬件配置基本硬件配置指揮各部件指揮各部件協(xié)同運(yùn)行協(xié)同運(yùn)行節(jié)拍分析節(jié)拍分析CU 設(shè)設(shè)計(jì)邏輯計(jì)邏輯微程序微程序硬布線硬布線CPU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)及功能的結(jié)構(gòu)及功能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) 重點(diǎn)：1、CPU結(jié)構(gòu)及功能 2、指令周期與指令流水 3、中斷系統(tǒng) 難點(diǎn)： 1、指令周期分析 2、中斷屏蔽技術(shù)8.1 CPU 的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一、一、 CPU 的功能：執(zhí)行程序的功能：

2、執(zhí)行程序 數(shù)據(jù)加工處理數(shù)據(jù)加工處理取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出控制程序輸入及結(jié)果的輸出處理異常情況和特殊請(qǐng)求處理異常情況和特殊請(qǐng)求1. 控制器的功能控制器的功能2. 運(yùn)算器的功能運(yùn)算器的功能-數(shù)據(jù)加工處理數(shù)據(jù)加工處理實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算指令控制：指令控制： PC IR操作控制操作控制: CU 微操作命令序列微操作命令序列時(shí)間控制：時(shí)間控制： 時(shí)序時(shí)序總線管理總線管理處理中斷處理中斷數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工 算術(shù)和算術(shù)和布爾邏輯布爾邏輯取反取反移位移位狀態(tài)標(biāo)志狀態(tài)標(biāo)志內(nèi)部?jī)?nèi)部 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線寄存器寄存器

3、CU中斷中斷系統(tǒng)系統(tǒng)ALUC P U二、二、CPU 結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖時(shí)鐘時(shí)鐘節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器IR PC2. 控制和狀態(tài)寄存器控制和狀態(tài)寄存器(1) 控制寄存器控制寄存器(2) 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器其中其中 MAR、MDR、IR 用戶(hù)不可見(jiàn)用戶(hù)不可見(jiàn) PC 用戶(hù)可見(jiàn)用戶(hù)可見(jiàn) 3. 系統(tǒng)用寄存器系統(tǒng)用寄存器Zilog Z8000 Intel 8086 Motorola MC 68000三、三、 CPU 的寄存器的寄存器1. 用戶(hù)可見(jiàn)寄存器用戶(hù)可見(jiàn)寄存器-通用寄存器通用寄存器四、四、 控制單元控制單元 CU 和中斷系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)1. CU 產(chǎn)生全部指令的微操作命令序列產(chǎn)生全部指令的微操作命令序列

4、組合邏輯設(shè)計(jì)組合邏輯設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)微程序設(shè)計(jì)硬連線邏輯硬連線邏輯存儲(chǔ)邏輯存儲(chǔ)邏輯2. 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)參見(jiàn)參見(jiàn) 第篇第篇 五、五、ALU參見(jiàn)參見(jiàn) 8.4 節(jié)節(jié)參見(jiàn)參見(jiàn) 第章第章8.2 指指 令令 周周 期期一、一、 指令周期：指令周期：1、指令執(zhí)行操作步驟、指令執(zhí)行操作步驟 (指令周期的組成指令周期的組成)：取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)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 尋址方式

5、不同尋址方式不同指令周期可能不同指令周期可能不同 程序執(zhí)行方式不同指令周期可能不同程序執(zhí)行方式不同指令周期可能不同 帶有中斷周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 指令功能不同的指令周期可能不同指令功能不同的指令周期可能不同2、CPU 工作周期工作周期(機(jī)器周期機(jī)器周期) -完成一個(gè)操作步驟所需時(shí)間完成一個(gè)操作步驟所需時(shí)間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例：例：

6、CPU 的的4個(gè)工作周期：個(gè)工作周期：CPU 工作周期標(biāo)志：工作周期標(biāo)志：3、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？DMA 一個(gè)指令周期由一個(gè)或多個(gè)工作周期組成 一個(gè)工作周期由若干時(shí)鐘周期(節(jié)拍)組成 指令功能不同，尋址方式不同，則指令周期不同；操作步驟不同，則工作周期不同。 工作周期分類(lèi)： 定長(zhǎng)工作周期-包含時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)一定 不定長(zhǎng)工作周期 時(shí)鐘周期(節(jié)拍)：1/CPU主頻 機(jī)器操作最小時(shí)間單位4、指令周期與工作周期的關(guān)系、指令周期與工作周期的關(guān)系多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)：多級(jí)時(shí)序系統(tǒng)： (9.2

7、.3(P385)CLK機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 定長(zhǎng)機(jī)器周期定長(zhǎng)機(jī)器周期(2) 不定長(zhǎng)機(jī)器周期不定長(zhǎng)機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期機(jī)器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長(zhǎng)延長(zhǎng)機(jī)器周期內(nèi)機(jī)器周期內(nèi) 節(jié)拍數(shù)不等節(jié)拍數(shù)不等5、 機(jī)器速度與機(jī)器主頻的關(guān)系機(jī)器速度與機(jī)器

8、主頻的關(guān)系機(jī)器的機(jī)器的 主頻主頻 f 越快越快 機(jī)器的機(jī)器的 速度也越快；速度也越快；與機(jī)器周期中所含時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）數(shù)與機(jī)器周期中所含時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）數(shù) 有關(guān)；有關(guān)；與指令周期中所含的與指令周期中所含的 機(jī)器周期數(shù)有關(guān)。機(jī)器周期數(shù)有關(guān)。1. 取指周期數(shù)據(jù)流取指周期數(shù)據(jù)流二、二、 指令周期的數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR+1 -與微操作步驟、序列對(duì)應(yīng)與微操作步驟、序列對(duì)應(yīng)2. 間址周期數(shù)據(jù)流間址周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PCIR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器MD

9、R3. 執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流4 . 中斷周期數(shù)據(jù)流中斷周期數(shù)據(jù)流不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PC存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器8.3 指指 令令 流流 水水一、如何提高機(jī)器速度一、如何提高機(jī)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(jī)之間的傳送速度和主機(jī)之間的傳送速度 提高整機(jī)處理能力提高整機(jī)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(jī)處理機(jī)DMA多總線多總線通道通道改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的并行性。，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的并行性。中斷中斷3. 提高運(yùn)算器速度提高運(yùn)

10、算器速度高速芯片高速芯片改進(jìn)算法改進(jìn)算法快速進(jìn)位鏈快速進(jìn)位鏈二、系統(tǒng)的并行性二、系統(tǒng)的并行性時(shí)間上互相重疊時(shí)間上互相重疊2. 并行性的等級(jí)并行性的等級(jí)指令級(jí)指令級(jí)（指令之間）（指令之間）（指令內(nèi)部）（指令內(nèi)部）過(guò)程級(jí)（程序、進(jìn)程）過(guò)程級(jí)（程序、進(jìn)程）兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在 同一時(shí)刻同一時(shí)刻 發(fā)生發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在 同一時(shí)間段同一時(shí)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(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn)(操作系統(tǒng)操作系統(tǒng))細(xì)粒度細(xì)粒度硬件實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)現(xiàn)并發(fā)并發(fā)同時(shí)同時(shí)3、相鄰指令執(zhí)行過(guò)程安排：、相鄰指令執(zhí)行過(guò)程安排：串行串行-順序執(zhí)行順序執(zhí)行每個(gè)執(zhí)行

11、步驟同時(shí)啟動(dòng)多條指令每個(gè)執(zhí)行步驟同時(shí)啟動(dòng)多條指令 (流水線的多發(fā)技術(shù)流水線的多發(fā)技術(shù)(8.3.4) )并行并行每個(gè)執(zhí)行步驟啟動(dòng)一條指令每個(gè)執(zhí)行步驟啟動(dòng)一條指令指令流水線技術(shù)指令流水線技術(shù)超流水技術(shù)超流水技術(shù)超標(biāo)量技術(shù)超標(biāo)量技術(shù)超長(zhǎng)指令字技術(shù)超長(zhǎng)指令字技術(shù)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(jí)流水指令的二級(jí)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 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 執(zhí)行指令部件執(zhí)行指令部件 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

12、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多級(jí)流水？多級(jí)流水？3. 指令的六級(jí)流水線時(shí)序指令的六級(jí)流水線時(shí)序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連續(xù)連續(xù)N N條指條指令執(zhí)行時(shí)間令執(zhí)行時(shí)間理想流水線理想流水線建立時(shí)間建立時(shí)間時(shí)鐘周期時(shí)鐘周

13、期？排空時(shí)排空時(shí)間間3. 指令的六級(jí)流水線時(shí)序指令的六級(jí)流水線時(shí)序六級(jí)流水六級(jí)流水14 個(gè)時(shí)間單位個(gè)時(shí)間單位串行執(zhí)行串行執(zhí)行6 9 54個(gè)時(shí)間單位個(gè)時(shí)間單位完成完成 一條指令一條指令6 個(gè)時(shí)間單位個(gè)時(shí)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 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14t四

14、、流水線性能四、流水線性能 1. 吞吐率吞吐率 單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi) 流水線所完成指令流水線所完成指令 或或 輸出結(jié)果輸出結(jié)果 的的 數(shù)量數(shù)量 最大吞吐率最大吞吐率 實(shí)際吞吐率實(shí)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(shè)設(shè) m 段的流水線各段時(shí)間為段的流水線各段時(shí)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(shè)流水線各段時(shí)間為設(shè)流水線各段時(shí)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

15、 = 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共需 T = nmt Sp = m +(n-1) nm =nmm + n -1 t t t 則則m(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)流水線中各段總的時(shí)空區(qū) 效率效率 = 3. 效率效率 mt31245312453124531245 n-1 nn-1 nn-1 nn-1 nT時(shí)間時(shí)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 利用率利用率時(shí)空?qǐng)D時(shí)空?qǐng)DM M增加增加? ?指

16、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五、影響指令流水線性能的因素五、影響指令流水線性能的因素1. 結(jié)構(gòu)相關(guān)結(jié)構(gòu)相關(guān)不

17、同指令爭(zhēng)用同一功能部件產(chǎn)生資源沖突不同指令爭(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)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，影響流水線效率使指令流水出現(xiàn)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi) 指令預(yù)取技術(shù)指令預(yù)取技術(shù) （適用于訪存周期短的情況）（適用于訪存周期短的情況）2. 數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)不同指令因重疊操作，可能改變操作數(shù)的不同指令因重疊操作，可能改變操作數(shù)的 讀讀/寫(xiě)寫(xiě) 訪問(wèn)順序訪問(wèn)順序 采用采用 旁路技術(shù)旁路技術(shù)解決辦法解決辦法 寫(xiě)后讀相關(guān)（寫(xiě)后讀相關(guān)（RAW）SUB R1，R2，R3ADD R4，R

18、5，R1；（；（R2） （R3） R1；（；（R5）+（R1） R4 讀后寫(xiě)相關(guān)（讀后寫(xiě)相關(guān)（WAR）STA M，R2ADD R2，R4，R5；（；（R2） M 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元；（；（R4）+（R5） R2 寫(xiě)后寫(xiě)相關(guān)（寫(xiě)后寫(xiě)相關(guān)（WAW） 后推法后推法MUL R3，R2，R1SUB R3，R4，R5；（；（R2） （R1） R3；（；（R4） （R5） R33. 控制相關(guān)控制相關(guān)WOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指

19、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(zhuǎn)移損失轉(zhuǎn)移損失t設(shè)設(shè) 指令指令3 是轉(zhuǎn)移指令是轉(zhuǎn)移指令解決辦法：解決辦法： 盡早判別盡早判別 猜測(cè)猜測(cè)由轉(zhuǎn)移指令引起由轉(zhuǎn)移指令引起六、流水線結(jié)構(gòu)六、流水線結(jié)構(gòu)1. 指令流水線結(jié)構(gòu)指令流水線結(jié)構(gòu)完成一條指令分完成一條指令分 7 段段， 每段需一個(gè)時(shí)鐘周期：每段需一個(gè)時(shí)鐘周期：地址形成部件地址形成部件指令譯碼部件指令譯碼部件取操作數(shù)部件取操作數(shù)部件取指令部件取指令部件操作執(zhí)行部件操作執(zhí)行部件回寫(xiě)結(jié)果部件回寫(xiě)結(jié)果部件修改指令指針部件修改指令指針部件鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存

20、鎖存鎖存鎖存鎖存2. 運(yùn)算流水線運(yùn)算流水線完成完成 浮點(diǎn)加減浮點(diǎn)加減 運(yùn)算運(yùn)算 可分可分對(duì)階對(duì)階、尾數(shù)求和尾數(shù)求和、規(guī)格化規(guī)格化 三段三段分段原則：分段原則： 每段每段 操作時(shí)間操作時(shí)間 盡量盡量 一致一致鎖存器鎖存器對(duì)階功能部件對(duì)階功能部件第一段第一段尾數(shù)加部件尾數(shù)加部件鎖存器鎖存器第二段第二段規(guī)格化部件規(guī)格化部件鎖存器鎖存器第三段第三段多模塊存儲(chǔ)體流水工作方式多模塊存儲(chǔ)體流水工作方式1、中斷技術(shù)、中斷技術(shù)：CPU暫?，F(xiàn)行程序執(zhí)行轉(zhuǎn)而暫停現(xiàn)行程序執(zhí)行轉(zhuǎn)而處理突發(fā)事件的機(jī)制。處理突發(fā)事件的機(jī)制。2、中斷源、中斷源：引起中斷的原因或能發(fā)出中斷：引起中斷的原因或能發(fā)出中斷請(qǐng)求的設(shè)備。請(qǐng)求的設(shè)備。

21、人為設(shè)置中斷人為設(shè)置中斷 程序性事故引起中斷程序性事故引起中斷 硬件故障引起中斷硬件故障引起中斷 I/O設(shè)備請(qǐng)求中斷設(shè)備請(qǐng)求中斷 外部事件引起中斷外部事件引起中斷CPU內(nèi)部中斷內(nèi)部中斷CPU外部中斷外部中斷一、一、CPU中斷系統(tǒng)概述中斷系統(tǒng)概述：8.4 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)3、CPU中斷管理中斷管理：任一時(shí)刻任一時(shí)刻CPU只能接受只能接受(響應(yīng)響應(yīng))一個(gè)中斷源的請(qǐng)求；一個(gè)中斷源的請(qǐng)求；CPU按優(yōu)先級(jí)別響應(yīng)中斷；按優(yōu)先級(jí)別響應(yīng)中斷；一定條件下，一定條件下，CPU可安排中斷嵌套?？砂才胖袛嗲短?。4、中斷系統(tǒng)需解決的問(wèn)題、中斷系統(tǒng)需解決的問(wèn)題：中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求如何提出；如何提出；優(yōu)先級(jí)如何管理；優(yōu)先級(jí)如

22、何管理；CPU響應(yīng)響應(yīng)中斷的條件、時(shí)間中斷的條件、時(shí)間、方式；、方式；CPU響應(yīng)中斷后如何保護(hù)斷點(diǎn)；響應(yīng)中斷后如何保護(hù)斷點(diǎn)；響應(yīng)中斷后如何響應(yīng)中斷后如何獲取中斷服務(wù)程序入口地址獲取中斷服務(wù)程序入口地址；中斷處理結(jié)束后如何返回（恢復(fù)斷點(diǎn)）；中斷處理結(jié)束后如何返回（恢復(fù)斷點(diǎn)）；CPU是否允許中斷嵌套。是否允許中斷嵌套。 硬件硬件 軟件軟件內(nèi)部（除單步）內(nèi)部（除單步）NMIINTR單步單步 (高高) (低低)5. 常規(guī)中斷優(yōu)先級(jí)管理：常規(guī)中斷優(yōu)先級(jí)管理：6. 中斷系統(tǒng)任務(wù)：中斷系統(tǒng)任務(wù)：異常處理、實(shí)時(shí)控制、任務(wù)切換異常處理、實(shí)時(shí)控制、任務(wù)切換二、中斷請(qǐng)求標(biāo)記和中斷判優(yōu)邏輯二、中斷請(qǐng)求標(biāo)記和中斷判優(yōu)邏

23、輯1. 中斷請(qǐng)求標(biāo)記中斷請(qǐng)求標(biāo)記 INTR一個(gè)請(qǐng)求源一個(gè)請(qǐng)求源 一個(gè)一個(gè) 中斷請(qǐng)求標(biāo)記觸發(fā)器中斷請(qǐng)求標(biāo)記觸發(fā)器多個(gè)請(qǐng)求源多個(gè)請(qǐng)求源 組成組成 中斷請(qǐng)求標(biāo)記寄存器中斷請(qǐng)求標(biāo)記寄存器 INTRINTR 分散分散 在各個(gè)中斷源的在各個(gè)中斷源的 接口電路中接口電路中INTR 集中集中 在在 CPU 的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng) 內(nèi)內(nèi)12345n掉電掉電過(guò)熱過(guò)熱階上溢階上溢主存讀寫(xiě)校驗(yàn)錯(cuò)主存讀寫(xiě)校驗(yàn)錯(cuò)非法除法非法除法鍵盤(pán)輸入鍵盤(pán)輸入打印機(jī)輸出打印機(jī)輸出2. 中斷判優(yōu)邏輯中斷判優(yōu)邏輯【 分散分散 在各個(gè)中斷源的在各個(gè)中斷源的 接口電路中接口電路中 鏈?zhǔn)脚抨?duì)器鏈?zhǔn)脚抨?duì)器】 集中集中 在在 CPU 內(nèi)內(nèi)(1) 硬件實(shí)

24、現(xiàn)（排隊(duì)器）硬件實(shí)現(xiàn)（排隊(duì)器） 1 1 1 & 1 & 1 &INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1 、 INTR2 、 INTR3 、 INTR4 優(yōu)先級(jí)優(yōu)先級(jí) 按按 降序降序 排列排列 INTP1INTP2INTP3INTP4硬件硬件 集中集中 固定固定軟件軟件 分散分散 循環(huán)循環(huán)A、B、C 優(yōu)先級(jí)按優(yōu)先級(jí)按 降序降序 排列排列(2) 軟件實(shí)現(xiàn)（程序查詢(xún)）軟件實(shí)現(xiàn)（程序查詢(xún)）否否是否是否 A 請(qǐng)求？請(qǐng)求？是否是否 B 請(qǐng)求？請(qǐng)求？是否是否 C 請(qǐng)求？請(qǐng)求？轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) A 的服務(wù)程序的服務(wù)程序入口地址入口地址轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) B 的服務(wù)程序的服務(wù)程序入口地址入口地址轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) C

25、 的服務(wù)程序的服務(wù)程序入口地址入口地址是是是是是是否否否否 人為設(shè)置中斷：人為設(shè)置中斷： eg: INT n -指令本身提供指令本身提供 程序性事故引起中斷程序性事故引起中斷-系統(tǒng)提供系統(tǒng)提供 硬件故障引起中斷硬件故障引起中斷(NMI)-系統(tǒng)提供系統(tǒng)提供 I/O設(shè)備請(qǐng)求中斷設(shè)備請(qǐng)求中斷(INTR)三、中斷服務(wù)程序入口地址的尋找三、中斷服務(wù)程序入口地址的尋找四、中斷響應(yīng)四、中斷響應(yīng)(INTR)1. 響應(yīng)中斷的響應(yīng)中斷的 條件條件允許中斷觸發(fā)器允許中斷觸發(fā)器 EINT = 12. 響應(yīng)中斷的響應(yīng)中斷的 時(shí)間時(shí)間指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)刻由指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)刻由CPU 發(fā)查詢(xún)信號(hào)發(fā)查詢(xún)信號(hào) CPU中斷查詢(xún)中斷查詢(xún)

26、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(duì)器至排隊(duì)器lINT n-執(zhí)行指令執(zhí)行指令lNMI、程序性事故、程序性事故 -當(dāng)前指令結(jié)束當(dāng)前指令結(jié)束3. 中斷隱指令中斷隱指令-中斷周期中斷周期(1) 保護(hù)程序斷點(diǎn)保護(hù)程序斷點(diǎn)(2) 尋找服務(wù)程序入口地址尋找服務(wù)程序入口地址(3) 硬件硬件 關(guān)中斷關(guān)中斷向量地址向量地址形成部件形成部件INTSQREINTSQRPC 1 &1排隊(duì)器排隊(duì)器斷點(diǎn)存于斷點(diǎn)存于 特定地址特定地址（ 0 號(hào)地址）號(hào)地址） 內(nèi)內(nèi)斷點(diǎn)斷點(diǎn) 進(jìn)棧進(jìn)棧向量地址向量地址PC （硬件向量法）（硬件向量法）中斷識(shí)別程序中斷識(shí)別程序

27、入口地址入口地址MPC（軟件查詢(xún)法）（軟件查詢(xún)法）五、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)五、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)1. 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)2. 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)寄存器寄存器 內(nèi)容內(nèi)容斷點(diǎn)斷點(diǎn)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回中斷返回PUSH視不同請(qǐng)求源而定視不同請(qǐng)求源而定POP中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 完成完成中中斷斷服服務(wù)務(wù)程程序序中斷隱指令中斷隱指令 完成完成中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 完成完成IRET1. 多重中斷的概念多重中斷的概念klmk +1l +1m +1第一次第一次 中斷中斷第二次第二次 中斷中斷第三次第三次 中斷中斷程序斷點(diǎn)程序斷點(diǎn) k+1 , l+1 , m+1六、中

28、斷屏蔽技術(shù)六、中斷屏蔽技術(shù)-中斷優(yōu)先級(jí)調(diào)整技術(shù)中斷優(yōu)先級(jí)調(diào)整技術(shù)2. 實(shí)現(xiàn)多重中斷的條件實(shí)現(xiàn)多重中斷的條件B、CA中斷中斷請(qǐng)求請(qǐng)求主程序主程序(2) 優(yōu)先級(jí)別高優(yōu)先級(jí)別高 的中斷源的中斷源 有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低有權(quán)中斷優(yōu)先級(jí)別低 的中斷源的中斷源(1) 提前提前 設(shè)置設(shè)置 開(kāi)中斷開(kāi)中斷 指令指令A(yù)BCD中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序（ A、B、 C、 D 優(yōu)先級(jí)按優(yōu)先級(jí)按 降序降序 排列）排列）D(1) 斷點(diǎn)進(jìn)棧斷點(diǎn)進(jìn)棧(2) 斷點(diǎn)存入特定存儲(chǔ)單元斷點(diǎn)存入特定存儲(chǔ)單元-“ 0 ” 地址地址中斷周期：中斷周期：命令存儲(chǔ)器寫(xiě)命令存儲(chǔ)器寫(xiě)0 MARPC MDR(MDR) 存入存儲(chǔ)器存入存儲(chǔ)器“0”多重中斷，

29、多個(gè)斷點(diǎn)都存入多重中斷，多個(gè)斷點(diǎn)都存入 “ 0 ” 地址，地址，3. 多重中斷的斷點(diǎn)保護(hù)多重中斷的斷點(diǎn)保護(hù)-中斷隱指令中斷隱指令 完成完成斷點(diǎn)斷點(diǎn) MDR？如何保證斷點(diǎn)不丟失？如何保證斷點(diǎn)不丟失？ CPU中斷優(yōu)先級(jí)：中斷優(yōu)先級(jí)： 響應(yīng)優(yōu)先級(jí)：響應(yīng)優(yōu)先級(jí)：CPU響應(yīng)中斷響應(yīng)中斷請(qǐng)求請(qǐng)求的次序的次序 -“原始屏蔽字原始屏蔽字” -“進(jìn)進(jìn)” 處理優(yōu)先級(jí)：處理優(yōu)先級(jí)：CPU實(shí)際對(duì)中斷請(qǐng)求實(shí)際對(duì)中斷請(qǐng)求處理處理次序次序 -通過(guò)中斷服務(wù)程序中新屏蔽字通過(guò)中斷服務(wù)程序中新屏蔽字 (已調(diào)整已調(diào)整)的寫(xiě)入而實(shí)現(xiàn)的寫(xiě)入而實(shí)現(xiàn) -“出出”4. 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)-帶有帶有屏蔽字屏蔽字系統(tǒng)系統(tǒng)(硬件支持硬件支持) -屏蔽寄存器屏蔽寄存器 -屏蔽觸發(fā)器組合屏蔽觸發(fā)器組合 &(1) 屏蔽觸發(fā)器的作用屏蔽觸發(fā)器的作用MASK = 0（未屏蔽）未屏蔽）INTR 能被置能被置 “1” & & & & 1 1 1 1INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4MASK1MASK2MASK3M