第5章中央處理器課件

第5章中央處理器本章主要內(nèi)容：

CPU的功能和組成

指令周期

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式微程序控制器硬連線控制器提高CPU性能的技術(shù)

中央處理器CPU的主要功能是自動(dòng)的從主存儲(chǔ)器中取出指令、分析指令和執(zhí)行指令，即按指令控制計(jì)算機(jī)各部件操作，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

指令控制：控制程序的執(zhí)行順序；操作控制：產(chǎn)生各種操作所需的控制信號(hào)；時(shí)間控制：對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)；數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算處理。一CPU的功能和組成CPU的基本組成：運(yùn)算器、控制器、cache

。運(yùn)算器：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)與邏輯運(yùn)算?？刂破鳎寒a(chǎn)生控制信號(hào)，協(xié)調(diào)和指揮各個(gè)部件完成執(zhí)行指令的操作。取指令，并指出下條指令的地址；對(duì)指令譯碼或測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)；指揮并控制CPU、存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。Cache：存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。CPU模型模型機(jī)各部件功能：寄存器的功能：暫存指令和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR）：存運(yùn)算結(jié)果及內(nèi)部緩沖；緩沖CPU與外部（主存與外設(shè)）數(shù)據(jù)傳送。指令寄存器（IR）：存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令字。指令譯碼器：分析測(cè)試指令操作碼的功能。程序計(jì)數(shù)器（PC）：存儲(chǔ)下一條要執(zhí)行指令的地址。地址寄存器（AR）：存儲(chǔ)當(dāng)前訪問(wèn)數(shù)據(jù)的地址。通用寄存器（R0~R3）：存儲(chǔ)參與運(yùn)算及運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)。狀態(tài)字寄存器（PSW）：存儲(chǔ)運(yùn)算狀態(tài)。操作控制器：根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種控制信號(hào)，在各寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路。微程序控制器硬布線控制器時(shí)序產(chǎn)生器：產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)，對(duì)各種操作信號(hào)實(shí)施時(shí)間上的控制。二指令周期CPU的工作就是周而復(fù)始的執(zhí)行指令過(guò)程。指令的分段執(zhí)行過(guò)程取指令：根據(jù)PC提供的地址從主存/cache中讀取當(dāng)前指令，送到指令寄存器IR中；分析指令：通過(guò)譯碼電路分析IR中指令操作碼字段表示什么操作，并在時(shí)序系統(tǒng)的配合下產(chǎn)生該指令對(duì)應(yīng)的微操作命令序列；執(zhí)行指令：執(zhí)行階段還可細(xì)分為：取操作數(shù)執(zhí)行操作形成下一條指令地址在運(yùn)行的過(guò)程中，CPU還要對(duì)出現(xiàn)的某些異常情況或輸入/輸出請(qǐng)求進(jìn)行處理。指令的周期：CPU從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行這條指令的所有操作時(shí)間總和。又可細(xì)分成若干個(gè)CPU周期。CPU周期：又稱機(jī)器周期，一般用從內(nèi)存讀取一條指令字的最短時(shí)間來(lái)定義。又可細(xì)分成若干個(gè)時(shí)鐘周期。時(shí)鐘周期：CPU處理操作的基本時(shí)間單位，通常稱為節(jié)拍脈沖或T周期。一個(gè)CPU周期包含若干個(gè)時(shí)鐘周期?；局噶钪芷冢喝≈钢芷冢瑘?zhí)行周期典型指令功能：指令助記符：MOVR0，R1功能：寄存器數(shù)據(jù)傳送操作：（R1）→R0指令助記符：LADR1，6功能：從內(nèi)存取數(shù)到寄存器操作：（6）→R1指令助記符：ADDR1，R2功能：加法操作操作：（R1）+（R2）→R2指令助記符：STOR2，（R3）功能：存寄存器數(shù)據(jù)到內(nèi)存操作：（R2）→（R3）

指令助記符：JMP101功能：無(wú)條件轉(zhuǎn)移操作：101→PC指令助記符：ANDR1，R3功能：邏輯與操作操作：（R1）∧（R3）→R3MOV指令的指令周期取指令周期操作步驟：101

→

PCPC→ABUS（I）；（101）→IBUS→IRPC+1→PC（102）OP數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)譯碼器識(shí)別為MOV指令。MOV指令的指令周期執(zhí)行指令周期操作步驟：OC→R1

OC送傳送信號(hào)

R1

→ALU通路→DBUSDBUS→DRDR→R0CPU周期數(shù)：2個(gè)，取指和執(zhí)行指令各占一個(gè)。1010210LAD指令的指令執(zhí)行周期10PC→ABUS(I)IBUS→IRPC+1IR（A）→AR譯碼AR→ABUSDBUS→DRDR→R1100ADD指令的指令執(zhí)行周期10譯碼R1+R2→DRDR→R2PC→ABUS(I)IBUS→IRPC+1120STO指令指令的指令執(zhí)行周期10R3→AR譯碼R2→DBUSPC→ABUS(I)IBUS→IRPC+1120JMP指令指令的指令執(zhí)行周期譯碼IR（Ａ）→ＰＣPC→ABUS(I)IBUS→IRPC+1101小結(jié)：用方框圖語(yǔ)言表示機(jī)器指令周期，一個(gè)方框代表一個(gè)CPU周期。例1（1）ADDR2，R0（2）SUBR1，R3解(R2)+(R0)→(R0)PC→ARM→DRPC+1→PCDR→IRPCo，G，ARiR/W=R，PC+1DRo，G，IRiR2→YR0→XY+X→R0R2o，G，YiR0o，G，Xi+，G，R0i取指執(zhí)行PC+1例1解(R1)-(R3)→(R3)DR→IRDRo，G，IRiR3→YR1→XY-X→R3R3o，G，YiR1o，G，Xi-，G，R3i取指執(zhí)行PC+1PC→ARM→DRPC+1→PCPCo，G，ARiR/W=R，PC+1三時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式指令的執(zhí)行過(guò)程就是依次產(chǎn)生一個(gè)確定的控制信號(hào)序列的過(guò)程。指令的執(zhí)行是分階段分步驟進(jìn)行的。每一步的操作是由控制器產(chǎn)生一些相應(yīng)的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)。各步驟的操作是有先后秩序的，控制信號(hào)的長(zhǎng)短必須有嚴(yán)格的時(shí)間控制。常用控制器時(shí)序方式：硬布線控制器：采用主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖三級(jí)體制。微程序控制器：采用節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器時(shí)鐘源：產(chǎn)生方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)。環(huán)形脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列。節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序電路：產(chǎn)生節(jié)拍脈沖及存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)。啟?？刂七壿嬰娐罚汗?jié)拍脈沖信號(hào)使能電路?？刂品绞剑杭纯刂撇煌僮餍蛄袝r(shí)序信號(hào)的方法。同步控制方式：指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)(CPU周期）和時(shí)鐘周期數(shù)（節(jié)拍脈沖）都固定不變。采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。中央控制與局部控制結(jié)合。異步控制方式：指每個(gè)操作控制信號(hào)根據(jù)需要確定完成時(shí)間。根據(jù)“應(yīng)答”方式操作。聯(lián)合控制方式：同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周期中，部分采用“回答”信號(hào)方式；機(jī)器周期的節(jié)拍脈沖數(shù)固定，但是各條指令周期的機(jī)器周期數(shù)不固定。四微程序控制器（一）微程序控制原理核心思想：將控制信號(hào)編成微指令，這樣每條機(jī)器指令的所有操作可以編成一段由微指令組成的微程序；將所有機(jī)器指令的微程序存到一個(gè)只讀存儲(chǔ)器里（CM），CPU執(zhí)行一條指令時(shí)，只需將CM中相應(yīng)的一段微程序讀出來(lái)，就可產(chǎn)生各種微操作信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)該指令的功能?；拘g(shù)語(yǔ)微命令：控制部件通過(guò)控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制信號(hào)。LDR1’LDR2’LDR3’R1→XR2→XDR→XR3→YR2→YR1→Y微操作：執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作。相斥性微操作：不能同時(shí)或在同一個(gè)CPU周期中出現(xiàn)的微操作。相容性微操作：能同時(shí)或在同一個(gè)CPU周期中出現(xiàn)的操作。基本術(shù)語(yǔ)（續(xù)）微指令：在機(jī)器的一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。微操作控制字段：產(chǎn)生控制信號(hào)。順序控制字段：產(chǎn)生下條微指令的地址。微程序：實(shí)現(xiàn)一條機(jī)器指令功能的許多條微指令組成的序列。微指令給出的控制信號(hào)都是節(jié)拍電位信號(hào)。但，有些信號(hào)不能來(lái)的太早也不能來(lái)的太遲，所以，這些微命令還要和節(jié)拍脈沖信號(hào)相與。微程序控制器組成原理控制存儲(chǔ)器：用于存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序。微指令寄存器：用來(lái)存放當(dāng)前執(zhí)行的一條微指令。地址轉(zhuǎn)移邏輯：用于形成下條微指令的微地址。微程序控制器舉例：處理器部件指令功能：用BCD碼來(lái)完成十進(jìn)制的加法運(yùn)算。R1+R2→R2指令流程微指令格式PC→MM→IRPC+1R1+R2→R2R2+R3→R2CR2-R3→R2RD，LDIR，PC+1R1→X，R2→Y，+，LDR2R2→X，R3→Y，+，LDR2R2→X，R3→Y，—，LDR2微程序設(shè)計(jì)流程00000000000010101100000PC→MM→IRPC+1R1+R2→R2P1R2+R3→R2P2R2-R3→R20000010100100100000000010011010100100010100010011000000001000001000100100100000000000微程序控制器組成原理CPU周期與微指令周期關(guān)系微指令周期=讀出微指令的時(shí)間+執(zhí)行該條微指令的時(shí)間機(jī)器指令與微指令的關(guān)系一條機(jī)器指令的功能是由若干條微指令組成的序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器指令存儲(chǔ)在內(nèi)存中，CPU外部；微指令存儲(chǔ)在CM中，屬于CPU內(nèi)部。每一個(gè)CPU周期對(duì)應(yīng)一條微指令

微命令編碼方式直接表示法—將控制字段的每個(gè)二進(jìn)制位定義為一個(gè)微命令。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀，執(zhí)行速度快，操作并行性好。缺點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，位空間利用率低。編碼（分段譯碼）表示法—把一組相斥性的微命令信號(hào)組合在一個(gè)字段，然后通過(guò)譯碼器對(duì)每個(gè)微命令信號(hào)進(jìn)行譯碼，譯碼的輸出作為控制信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：可用較少的二進(jìn)制位表示較多的微命令信號(hào)，縮短CM的字長(zhǎng)。缺點(diǎn)：增加了譯碼電路，速度相對(duì)要慢一些?；旌媳硎痉樘岣哽`活性，常在微指令中增設(shè)一個(gè)常數(shù)字段。（二）微程序設(shè)計(jì)技術(shù)微地址的形成方法多路轉(zhuǎn)移方式（斷定）：將順序控制字段分成測(cè)試字段（P）和下地址字段二段。未出現(xiàn)多路分支時(shí)，后繼由下地址字段直接給出，出現(xiàn)多路分支時(shí)，根據(jù)測(cè)試字段值和狀態(tài)條件選擇轉(zhuǎn)移地址。優(yōu)點(diǎn)：多路轉(zhuǎn)移靈活，速度快；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)移地址硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜。計(jì)數(shù)器方式（增量方式）：順序執(zhí)行時(shí)，后繼地址在現(xiàn)行微地址上加上一增量；非順序執(zhí)行時(shí)，需執(zhí)行一條轉(zhuǎn)移微指令。優(yōu)點(diǎn)：順序控制字段較短，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：多路并行轉(zhuǎn)移弱，速度較慢，靈活性差。例2微地址寄存器有6位(μA5-μA0)，當(dāng)需要修改其內(nèi)容時(shí)，可通過(guò)某一位觸發(fā)器的強(qiáng)置端S將其置“1”?，F(xiàn)有三種情況：(1)執(zhí)行“取指”微指令后，微程序按IR的OP字段(IR3-IR0)進(jìn)行16路分支；(2)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程序時(shí)，按進(jìn)位標(biāo)志C的狀態(tài)進(jìn)行2路分支；(3)執(zhí)行控制臺(tái)指令微程序時(shí)，按IR4，IR5的狀態(tài)進(jìn)行4路分支。請(qǐng)按多路轉(zhuǎn)移方法設(shè)計(jì)微地址轉(zhuǎn)移邏輯?！窘狻堪搭}意，微程序有三種判別測(cè)試，分別為P1，P2，P3。由于修改μA5-μA0內(nèi)容具有很大靈活性，現(xiàn)分配如下：(1)用P1和IR3-IR0修改μA3-μA0；(2)用P2和C修改μA0；(3)用P3和IR5，IR4修改μA5，μA4。微指令的格式水平型微指令—在一個(gè)微指令周期內(nèi)，同時(shí)給出多個(gè)能并行操作的微命令。全水平型字段譯碼型混合型垂直型微指令—在微指令中設(shè)置微操作碼字段和地址碼字段，采用微操作碼編譯法，并由微操作碼規(guī)定微指令的功能。二者比較：水平型并行操作能力強(qiáng)、效率高、靈活性強(qiáng)，微指令執(zhí)行時(shí)間短，但微指令字長(zhǎng)長(zhǎng)、復(fù)雜程度高、對(duì)硬件了解程度高。而垂直型相反。動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)靜態(tài)微程序設(shè)計(jì)：微程序設(shè)計(jì)好后，不再（能）修改；動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)：微程序可根據(jù)需要再修改。基本思想：用門(mén)電路和觸發(fā)器構(gòu)成的邏輯電路來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)。設(shè)計(jì)方法：綜合所有機(jī)器指令流程的微操作時(shí)間表，列出各微命令與輸入的關(guān)系，設(shè)計(jì)出邏輯式，用門(mén)電路或可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)：速度快缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)復(fù)雜、不易修改。五硬連線控制器采用同步控制方式：長(zhǎng)指令和短指令的節(jié)拍時(shí)間一樣。設(shè)計(jì)方法：根據(jù)所有機(jī)器指令流程圖，尋找產(chǎn)生同一個(gè)微操作信號(hào)的所有條件，并與適當(dāng)?shù)墓?jié)拍電位和節(jié)拍脈沖組合，然后用布爾代數(shù)表達(dá)式描述，最后用門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。M1，M2，M3為節(jié)拍電位信號(hào)，T1，T2，T3，T4為一個(gè)CPU周期的節(jié)拍脈沖信號(hào)，MOV，LAD，ADD，STO，JMP分別表示對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的OP操作碼譯碼輸出信號(hào)。請(qǐng)寫(xiě)出，LDIR、LDDR的邏輯表達(dá)式。六、提高ＣＰＵ性能的技術(shù)5.7.1流水CPU技術(shù)并行處理技術(shù)同時(shí)性指兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生；并發(fā)性指兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)形式：時(shí)間并行：指時(shí)間重疊?？臻g并行：指資源重復(fù)。時(shí)間并行+空間并行：指時(shí)間重疊和資源重復(fù)的綜合應(yīng)用。例如，奔騰CPU采用了超標(biāo)量流水技術(shù)。流水線技術(shù)設(shè)計(jì)方法：將一個(gè)大的功能部件分成幾個(gè)獨(dú)立的功能部件，并行工作以提高執(zhí)行速度的技術(shù)。流水線中功能部件必須滿足的條件：流水線中的任務(wù)必須是連續(xù)的，流水線應(yīng)是完全充滿的。分解的任務(wù)是有聯(lián)系的。段與段之間傳送字任務(wù)時(shí)，必須通過(guò)高速緩沖寄存器。流水線中各段的執(zhí)行時(shí)間應(yīng)盡可能相等。5.7.2流水cpu的結(jié)構(gòu)（一）流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成指令部件指令隊(duì)列執(zhí)行部件（二）流水CPU的時(shí)空?qǐng)D。設(shè)指令周期包含四個(gè)子過(guò)程：非流水線時(shí)空?qǐng)D標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D超標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D1.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（滿載后）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ΔtTpmax=Δ1tTp=m

·Δ

+(n-1)·

Δ

ntt（三）流水線性能2.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Δt完成n

條指令在m

段流水線上共需

T=m

·

+(n-1)·

ttΔΔ完成n條指令在等效的非流水線上共需

T

′=nm

·tΔSp

=

m

·+(n-1)·

nm·=nmm

+n-1

ΔtΔΔtt

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

mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT時(shí)間S空間空間S4S3S2S1(n-1)Δtm(m

+n-1)Δt

=mnΔt

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

mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT時(shí)間S空間空間S4S3S2S1(n-1)Δt流水線中各功能段的利用率（四）流水線分類指令流水線：指指令步驟的并行。算術(shù)流水線：指令運(yùn)算操作步驟的并行。處理機(jī)流水線：指程序步驟的并行。（五）流水線中的主要問(wèn)題資源相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)控制相關(guān)（1）資源相關(guān)：指多條指令進(jìn)入流水線后在同一機(jī)器時(shí)鐘周期內(nèi)爭(zhēng)用同一個(gè)功能部件所發(fā)生的沖突。設(shè)指令流水線分為：取指、譯碼、計(jì)算有效地址或執(zhí)行、訪存取數(shù)、寫(xiě)寄存器五段。解決辦法：1.停頓流水線2.重復(fù)設(shè)置存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)和指令分開(kāi)存放3.采用指令預(yù)取技術(shù)大部分計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和指令放在一個(gè)存儲(chǔ)單元中，且只有一個(gè)端口（2）數(shù)據(jù)相關(guān)：若在一個(gè)程序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行完畢后，才能執(zhí)行后一條指令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)的

例執(zhí)行：ADDR1，R2，R3SUBR4，R1，R5ANDR6，R1，R7解決辦法：1.停頓流水線2.采用定向技術(shù)（旁路技術(shù)或相關(guān)通路技術(shù)）：增設(shè)運(yùn)算結(jié)果緩沖寄存器（3）控制相關(guān)：當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，使流水線發(fā)生斷流的問(wèn)題。

解決辦法：1.延遲轉(zhuǎn)移法2.轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法3.加快和提高形成條件碼4.加快短循環(huán)程序的處理5.采用優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)三種數(shù)據(jù)相關(guān)寫(xiě)后讀相關(guān)（RAW）：指令j試圖在指令i寫(xiě)入寄存器前就讀出該寄存器的內(nèi)容，這樣，指令j就會(huì)錯(cuò)誤地讀出該寄存器中的舊內(nèi)容。MULR1,R2;ADDR3,R1;讀后寫(xiě)相關(guān)（WAR）：指令j試圖在指令i讀出寄存器之前就寫(xiě)入該寄存器，這樣，指令i就錯(cuò)誤地讀出該寄存器中的新內(nèi)容。MUL