微机系统组成3-1

1、存储器存储器运算器运算器控制器控制器输入输入输出输出中央处理器中央处理器CPU主机主机第3章 微处理器3.1 CPU3.1 CPU功能和组成功能和组成3.2 CPU3.2 CPU工作过程工作过程3.3 CPU3.3 CPU主要性能指标主要性能指标3.4 3.4 微处理器的发展微处理器的发展n （Central Processing Unit，中央处理器）是计算机的，中央处理器）是计算机的，是整个计算机系统的运算、控制和指挥中心。，是整个计算机系统的运算、控制和指挥中心。n 微处理器微处理器是用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央是用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行处

2、理器。这些电路执行控制控制部件和部件和算术逻辑算术逻辑部件的功能。部件的功能。 n 不同档次的微机，取决于不同档次的微机，取决于。2. CPU2. CPU的基本组成的基本组成3. CPU3. CPU中主要的寄存器中主要的寄存器1. CPU1. CPU的功能的功能3.1 CPU3.1 CPU的功能和组成的功能和组成1. CPU1. CPU的功能的功能3.1 CPU3.1 CPU的功能和组成的功能和组成计算机计算机求解问题求解问题是通过是通过执行程序执行程序来实现的。来实现的。程序程序是由是由指令构成的序列指令构成的序列，执行程序就是按指令序列逐条，执行程序就是按指令序列逐条执行指令。执行指令。一

3、旦把程序装入主存储器中，就可以由一旦把程序装入主存储器中，就可以由CPU自动地完成自动地完成从从主存取指令和执行指令的主存取指令和执行指令的任务任务。 存储程序存储程序3.1 CPU3.1 CPU的功能和组成的功能和组成n 指令控制指令控制（程序的顺序控制）（程序的顺序控制） n 操作控制操作控制（一条指令有若干操作信号实现）（一条指令有若干操作信号实现） n 时间控制时间控制（指令各个操作实施时间的定时）（指令各个操作实施时间的定时） n 数据加工数据加工（算术运算和逻辑运算）（算术运算和逻辑运算）1. CPU1. CPU的功能的功能n CPU的基本组成一的基本组成一（1）运算器）运算器（2

4、）控制器）控制器3.1 CPU3.1 CPU的功能和组成的功能和组成2. CPU2. CPU的基本组成的基本组成n CPU的基本组成二的基本组成二（1）运算器）运算器（2）控制器）控制器（3）Cache3.1 CPU3.1 CPU的功能和组成的功能和组成2. CPU2. CPU的基本组成的基本组成n 控制器（控制单元）控制器（控制单元）n 运算器运算器( (算术算术/ /逻辑运算单元（逻辑运算单元（ALUALU）) )n 寄存器组寄存器组n 总线总线 控制器控制器是是CPU的指挥中的指挥中心，它能解释指令的含义，心，它能解释指令的含义，控制运算器的操作，记录控制运算器的操作，记录内部状态。内部

5、状态。主要用来主要用来读取、分析和执读取、分析和执行指令行指令，是产生各种控制，是产生各种控制命令的全机指挥中心，能命令的全机指挥中心，能通过通过时序时序控制自动协调微控制自动协调微机各部件之间同步工作。机各部件之间同步工作。3.1 CPU3.1 CPU的功能和组成的功能和组成2. CPU2. CPU的基本组成的基本组成运算器运算器主要负责完成主要负责完成算术运算（加、减、算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算乘、除）和逻辑运算（与、或、非）。也（与、或、非）。也称为称为执行单元执行单元。3.1 CPU3.1 CPU的功能和组成的功能和组成2. CPU2. CPU的基本组成的基本组成一组一组寄存

6、器寄存器，CPU内内部临时存放各种信息部临时存放各种信息的器件，它们可以的器件，它们可以直直接参与运算并保存运接参与运算并保存运算的各种结果算的各种结果。3.1 CPU3.1 CPU的功能和组成的功能和组成2. CPU2. CPU的基本组成的基本组成n CPU CPU中的主要寄存器中的主要寄存器各种计算机的各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但是在可能有这样或那样的不同，但是在CPU中至少要有中至少要有6类寄存器：类寄存器： 指令寄存器（指令寄存器（IR）程序计数器（程序计数器（PC）地址寄存器（地址寄存器（AR）数据冲寄存器（数据冲寄存器（DR）通用寄存器（通用寄存器（R0R3）状态字

7、寄存器（状态字寄存器（PSW）3.1 CPU3.1 CPU的功能和组成的功能和组成2. CPU2. CPU的基本组成的基本组成暂时存放由内存读出的一条指暂时存放由内存读出的一条指令或一个数据字；反之，令或一个数据字；反之，CPU向内存写入数据字也放在其中向内存写入数据字也放在其中暂存暂存保存当前正在执行保存当前正在执行的一条指令的一条指令保存下一条要执保存下一条要执行的指令地址行的指令地址保存当前保存当前CPU所访问的所访问的内存单元的地址。内存单元的地址。暂时存放暂时存放ALU运运算的结果信息算的结果信息保存由算术指令和逻辑指令运行或测试保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件

8、码内容。的结果建立的各种条件码内容。如：进位如：进位C，溢出，溢出V，结果为零，结果为零Z等等读数据：读数据：写数据：写数据：读指令：读指令：n CPU CPU执行指令的过程执行指令的过程I、 指令执行的基本方式指令执行的基本方式CPU是控制并执行指令的部件。是控制并执行指令的部件。l 指令周期指令周期是指取出并执行一条指令的时间。是指取出并执行一条指令的时间。计算机运行程序计算机运行程序执行指令序列执行指令序列重复重复指令周期指令周期3.2 CPU3.2 CPU工作过程工作过程设一条指令的执行过程可以被分为若干步：设一条指令的执行过程可以被分为若干步：取指令取指令取操作数取操作数执行执行存结

9、果存结果l 指令的基本执行方式指令的基本执行方式串行执行（顺序执行）串行执行（顺序执行）取操作数取操作数取指令取指令执行执行存结果存结果指令指令i的指令周期的指令周期取操作数取操作数取指令取指令执行执行存结果存结果指令指令i1的指令周期的指令周期指令串行执行的特点：指令串行执行的特点：（1）控制简单）控制简单（2）速度慢（每一时刻只有一条指令在）速度慢（每一时刻只有一条指令在CPU中执行）中执行） II、 流水线与超标量结构流水线与超标量结构取指取指取数取数执行执行回写回写 部件部件1 部件部件2部件部件3 部件部件4设设指令的执行过程分为四步：取指、取数、执行、回写。指令的执行过程分为四步：

10、取指、取数、执行、回写。 每一步分别在部件每一步分别在部件1 1、部件、部件2 2、部件、部件3 3、部件、部件4 4中完成。中完成。每步的完成时间均为每步的完成时间均为TiTi。n CPU CPU执行指令的过程执行指令的过程I、 指令执行的基本方式指令执行的基本方式TT1取指取指A部件部件1T2取指取指B取数取数A部件部件2T3取数取数B执行执行A部件部件3取指取指CT4执行执行B回写回写A取数取数C部件部件4取指取指DT5执行执行C回写回写B取数取数DT6执行执行D回写回写CT7回写回写D取指取指取数取数执行执行回写回写 部件部件1 部件部件2部件部件3 部件部件4指令流水时空图指令流水时

11、空图1 1）流水工作方式：）流水工作方式： 将一个计算任务细分成若干个子任务，每个子将一个计算任务细分成若干个子任务，每个子任务由专门的部件处理，多个计算任务依次进行并任务由专门的部件处理，多个计算任务依次进行并行处理。行处理。 l 流水线的实现流水线的实现子任务的划分子任务的划分-决定流水线性能的关键因素决定流水线性能的关键因素方法：将方法：将T任务划分为任务划分为k个子任务个子任务T = T1，T2，Tk要求：各子任务处理时间尽量相同，避免空转要求：各子任务处理时间尽量相同，避免空转效率：子任务并行工作。实际上每一个子任务效率：子任务并行工作。实际上每一个子任务的总运算时间并没有缩短，而是

12、系统的整体运算时间的总运算时间并没有缩短，而是系统的整体运算时间缩短了。因此子任务划分越细，流水线效率越高，但缩短了。因此子任务划分越细，流水线效率越高，但硬件代价也越高。硬件代价也越高。 K级流水线级流水线流水流水CPU中一个指令周期的任务分解中一个指令周期的任务分解 其中：取指令（其中：取指令（IF）、译码（）、译码（ID）、）、执行（执行（EX）、写回（）、写回（WB） 表示流水计算机的时空图表示流水计算机的时空图 表示超标量流水计算机的时空图表示超标量流水计算机的时空图 2 2）超标量结构）超标量结构l 超标量流水：指具有两条以上的指令流水线；超标量流水：指具有两条以上的指令流水线；在

13、一个时钟周期内可以执行两条或两条以在一个时钟周期内可以执行两条或两条以上指令。上指令。l 时间并行技术和空间并行技术的综合应用。时间并行技术和空间并行技术的综合应用。标量结构标量结构：在一个时钟周期内，能够执行一条指令。：在一个时钟周期内，能够执行一条指令。Pentuim CPU486 CPUn 流水线中的主要问题流水线中的主要问题l 资源相关资源相关 多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。内争用同一个功能部件所发生的冲突。 假定指令流水线由五段组成假定指令流水线由五段组成 解决资源相关冲突的办法：解决资源相关冲突的办法：

14、一是第一是第I4条指令停顿一拍后再启动；条指令停顿一拍后再启动；二是增设一个存储器，将指令和数据分别放在两个二是增设一个存储器，将指令和数据分别放在两个存储器中。存储器中。l 数据相关数据相关 在一个程序中，如果必须等前一条指令在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。条指令就是数据相关的。 解决数据相关冲突的办法：解决数据相关冲突的办法：在流水在流水CPU的运算器中设置若干运算结果缓冲寄存器，的运算器中设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为暂时保留运算结果，以便

15、于后继指令直接使用，这称为“向前向前”或定向传送技术。或定向传送技术。l 控制相关控制相关 控制相关冲突是由转移指令引起的。控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线取指令，从而使流水线 发生断流。发生断流。 为了减小转移指令对流水线性能的影响，常用以为了减小转移指令对流水线性能的影响，常用以下两种转移处理技术：下两种转移处理技术： 延迟转移法延迟转移法 由编译程序重排指令序列来实现。由编译程序重排指令序列来实现。基本思想基本思想:先执行再转移先执行再转移转移预测法转移预测法 用硬件方法来实现，依据指令过去的行用硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来的行为。为来预测将来的行为。 总线总线总线是一种公用导线，是计算机中各组成部件之间总线是一种公用导线，是计算机中各组成部件之间相互传递信息的相互传递信息的“公路公路”