计算机组成与系统结构2共60页PPT资料课件.ppt
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1、8.1 CPU 的结构的结构8.3 指令流水指令流水8.2 指令周期指令周期8.4 中断系统中断系统lQ1:数据如何输入到计算机?lQ2:计算机如何存储这些数据?lQ3:计算机如何运算这些数据?lQ4:计算机如何按步骤执行运算?lQ5:数据如何输出到计算机?程序的顺序时间序列l指令控制:确保指令按程序的顺序执行l操作控制:产生、传送和管理完成每条指令所需的控制信号l时间控制:使指令的执行严格按照时间序列进行l数据加工:由运算器对数据进行算术运算和逻辑运算l处理中断一、一、 CPU 的功能的功能一、一、CPU 功能功能取指令取指令分析指令分析指令执行指令,发出各种操作命令执行指令,发出各种操作命
2、令控制程序输入及结果的输出控制程序输入及结果的输出总线管理总线管理处理异常情况和特殊请求处理异常情况和特殊请求1. 控制器的功能控制器的功能2. 运算器的功能运算器的功能实现算术运算和逻辑运算实现算术运算和逻辑运算程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算二、二、CPU 结构框图结构框图二、二、CPU 结构框图结构框图二、二、CPU 结构框图结构框图1. 运算器的组成运算器的组成ALU 暂存器通用寄存器 条件码寄存器.2. 控制器的组成控制器的组成取指、译码、产生控制信号并控制各部件有序执行程序计数器(PC) 指令寄存器指令译码器操作控
3、制信号形成部件 时序信号产生器中断机构寄存器寄存器ALU 中断中断系统系统CUCPU控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线2. CPU 的内部结构的内部结构1. 用户可见寄存器用户可见寄存器(1) 通用寄存器通用寄存器三、三、 CPU 的寄存器的寄存器存放操作数存放操作数可作可作 某种寻址方式所需的某种寻址方式所需的 专用寄存器专用寄存器(2) 数据寄存器数据寄存器存放操作数存放操作数(满足各种数据类型)(满足各种数据类型)两个寄存器拼接存放双倍字长数据两个寄存器拼接存放双倍字长数据(3) 地址寄存器地址寄存器存放地址存放地址,其位数应满足最大的地址范围,其位数应满足最大的地址范围用
4、于特殊的寻址方式用于特殊的寻址方式 段基值段基值 栈指针栈指针(4) 条件码寄存器条件码寄存器存放条件码存放条件码,可作程序分支的依据,可作程序分支的依据如如 正、负、零、溢出、进位等正、负、零、溢出、进位等2. 控制和状态寄存器控制和状态寄存器(1) 控制寄存器控制寄存器PC控制控制 CPU 操作操作(2) 状态寄存器状态寄存器状态寄存器状态寄存器其中其中 MAR、MDR、IR 用户不可见用户不可见 存放条件码存放条件码PSW 寄存器寄存器存放程序状态字存放程序状态字 PC 用户可见用户可见 3. 举例举例Z8000 8086 MC 68000MARMMDRIR四、四、 控制单元控制单元 C
5、U 和中断系统和中断系统1. CU 产生全部指令的微操作命令序列产生全部指令的微操作命令序列组合逻辑设计组合逻辑设计微程序设计微程序设计硬连线逻辑硬连线逻辑存储逻辑存储逻辑2. 中断系统中断系统参见参见 第篇第篇 五、五、ALU参见参见 8.4 节节参见参见 第章第章一、一、 指令周期的基本概念指令周期的基本概念1 . 指令周期指令周期取出并执行一条指令所需的全部时间取出并执行一条指令所需的全部时间完成一条指令完成一条指令执行执行取指、分析取指、分析取指阶段取指阶段取指周期取指周期执行阶段执行阶段执行周期执行周期(取指、分析)(取指、分析)(执行指令)(执行指令)指令周期指令周期取指周期取指周
6、期执行周期执行周期2. 每条指令的指令周期不同每条指令的指令周期不同取指周期取指周期指令周期指令周期取指周期取指周期 执行周期执行周期指令周期指令周期NOP/JMPADD mem MUL mem取指周期取指周期执行周期执行周期指令周期指令周期3. 具有间接寻址的指令周期具有间接寻址的指令周期4. 带有中断周期的指令周期带有中断周期的指令周期取指周期取指周期间址周期间址周期指令周期指令周期执行周期执行周期取指周期取指周期间址周期间址周期指令周期指令周期执行周期执行周期中断周期中断周期5. 指令周期流程指令周期流程取指周期取指周期执行周期执行周期有间址吗?有间址吗?有中断吗?有中断吗?间址周期间址
7、周期中断周期中断周期是是是是否否否否6. CPU 工作周期的标志工作周期的标志CPU 访存有四种性质访存有四种性质取取 指令指令取取 地址地址取取 操作数操作数存存 程序断点程序断点取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期中断周期中断周期FEDINDDINTDCLK1FE1IND1EX1INTEXDCPU 的的4个工作周期个工作周期1. 取指周期数据流取指周期数据流二、二、 指令周期的数据流指令周期的数据流MDRCUMARPCIR存储器存储器CPU地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线IR+1 2. 间址周期数据流间址周期数据流MDRCUMARCPU地址总线地址总线数据总线数
8、据总线控制总线控制总线PCIR存储器存储器MDR3. 执行周期数据流执行周期数据流4 . 中断周期数据流中断周期数据流不同指令的执行周期数据流不同不同指令的执行周期数据流不同MDRCUMARCPU地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线PC存储器存储器一、如何提高机器速度一、如何提高机器速度1. 提高访存速度提高访存速度2. 提高提高 I/O 和主机之间的传送速度和主机之间的传送速度 提高整机处理能力提高整机处理能力高速芯片高速芯片Cache多体并行多体并行I/O 处理机处理机DMA多总线多总线通道通道高速器件高速器件改进系统结构改进系统结构 ,开发系统的并行性开发系统的并行性中断中断
9、3. 提高运算器速度提高运算器速度高速芯片高速芯片改进算法改进算法快速进位链快速进位链二、系统的并行性二、系统的并行性时间上互相重叠时间上互相重叠2. 并行性的等级并行性的等级指令级(指令之间)指令级(指令之间)(指令内部)(指令内部)过程级(程序、进程)过程级(程序、进程)两个或两个以上事件在两个或两个以上事件在 同一时刻同一时刻 发生发生两个或两个以上事件在两个或两个以上事件在 同一时间段同一时间段 发生发生并行并行1. 并行的概念并行的概念粗粒度粗粒度软件实现软件实现细粒度细粒度硬件实现硬件实现并发并发同时同时取指令取指令 3执行指令执行指令 3三、指令流水原理三、指令流水原理2. 指令
10、的二级流水指令的二级流水1. 指令的串行执行指令的串行执行取指令取指令 取指令部件取指令部件 完成完成总有一个部件总有一个部件 空闲空闲指令预取指令预取若若 取指取指 和和 执行执行 阶段时间上阶段时间上 完全重叠完全重叠指令周期指令周期 减半减半 速度提高速度提高 1 倍倍执行指令执行指令 执行指令部件执行指令部件 完成完成取指令取指令 1执行执行指令指令 1取取指令指令 2执行执行指令指令 2取取指令指令 3执行指令执行指令 3取指令取指令 2执行指令执行指令 2取指令取指令 1执行指令执行指令 1 必须等必须等 上条上条 指令执行结束,才能确定指令执行结束,才能确定 下条下条 指令的地址
11、,指令的地址, 造成时间损失造成时间损失3. 影响指令流水效率加倍的因素影响指令流水效率加倍的因素(1) 执行时间执行时间 取指时间取指时间 (2) 条件转移指令条件转移指令 对指令流水的影响对指令流水的影响 解决办法解决办法 ?取指令取指令部件部件指令部件指令部件缓冲区缓冲区执行指令执行指令部件部件猜测法猜测法4. 指令的六级流水指令的六级流水六级流水六级流水14 个时间单位个时间单位串行执行串行执行6 9 54个时间单位个时间单位完成完成 一条指令一条指令6 个时间单位个时间单位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWO
12、DIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI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指令指令 1 与指令与指令 4 冲突冲突指令指令 2 与指令与指令 5 冲突冲突指令指令1、指令、指令3、指令、指令 6 冲突冲突COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIF
13、ICOFOEIWODIFI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、影响指令流水线性能的因素四、影响指令流水线性能的因素1. 结构相关结构相关不同指令争用同一功能部件产生资源冲突不同指令争用同一功能部件产生资源冲突程序的相近指令之间出现某种关联程序的相近指令之间出现某种关联使指令流水出现停顿,影响流水线效率使指令流水出现停顿,影响流水线效率解决办法解决办法 停顿停顿 指令存储器和数据存储器分开指令存储器和数据存储器分开 指令预取技术指令预取技术 (适用于访存
14、周期短的情况)(适用于访存周期短的情况)2. 数据相关数据相关不同指令因重叠操作,可能改变操作数的不同指令因重叠操作,可能改变操作数的 读读/写写 访问顺序访问顺序 采用采用 旁路技术旁路技术解决办法解决办法 写后读相关(写后读相关(RAW)SUB R1,R2,R3ADD R4,R5,R1;(;(R2) (R3) R1;(;(R5)+(R1) R4 读后写相关(读后写相关(WAR)STA M,R2ADD R2,R4,R5;(;(R2) M 存储单元存储单元;(;(R4)+(R5) R2 写后写相关(写后写相关(WAW) 后推法后推法MUL R3,R2,R1SUB R3,R4,R5;(;(R2)
15、 (R1) R3;(;(R4) (R5) R33. 控制相关控制相关BNE 指令必须等指令必须等CPX 指令的结果指令的结果才能判断出才能判断出是转移是转移还是顺序执行还是顺序执行LDA # 0LDX # 0INXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSADD X, DM由转移指令引起由转移指令引起3. 控制相关控制相关WOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI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15指令指令1
16、6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14转移损失转移损失t设设 指令指令3 是转移指令是转移指令五、流水线性能五、流水线性能 1. 吞吐率吞吐率 单位时间内单位时间内 流水线所完成指令流水线所完成指令 或或 输出结果输出结果 的的 数量数量 最大吞吐率最大吞吐率 实际吞吐率实际吞吐率 连续处理连续处理 n 条指令的吞吐率为条指令的吞吐率为设设 m 段的流水线各段时间为段的流水线各段时间为t tTpmax =1t tTp =m + (n-1) nt tt t2. 加速比加速比 Sp m 段的段的 流水线的速度流水线的速度 与等功能的与等功能的 非流水线的速度非流水线的
17、速度 之比之比 设流水线各段时间为设流水线各段时间为 t 完成完成 n 条指令在条指令在 m 段流水线上共需段流水线上共需 T = m + (n-1) t t 完成完成 n 条指令在等效的非流水线上共需条指令在等效的非流水线上共需 T = nmt Sp = m +(n-1) nm =nmm + n -1 t t t 则则由于流水线有由于流水线有 建立时间建立时间 和和 排空时间排空时间因此各功能段的因此各功能段的 设备不可能设备不可能 一直一直 处于处于 工作工作 状态状态 流水线中各功能段的流水线中各功能段的 利用率利用率3. 效率效率 mt31245312453124531245 n-1
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