第8章 中央处理器

1、1第8章 中央处理器2本章内容本章内容 CPU的结构与功能的结构与功能 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 流水线处理器流水线处理器 多发射技术多发射技术 多核处理器多核处理器 处理器举例处理器举例38.1 CPU的结构与功能的结构与功能，该部件不仅要与计算机的其它功能部，该部件不仅要与计算机的其它功能部件进行信息交换，还要控制它们的操作。件进行信息交换，还要控制它们的操作。：与与两大功能部件两大功能部件和和。48.1 CPU的结构与功能的结构与功能 寄存器组寄存器组58.1 CPU的结构与功能的结构与功能 寄存器组寄存器组68.1 CPU的结构与功能的结构与功能 寄存器组寄存器组78.1

2、CPU的结构与功能的结构与功能 寄存器组寄存器组88.1 CPU的结构与功能的结构与功能 寄存器组织寄存器组织9CPU内部结构内部结构 CPU内部总线内部总线 返回8.1 CPU的结构与功能的结构与功能 CPU的内部结构的内部结构108.1 CPU的结构与功能的结构与功能 CPU与主存间通信与主存间通信118.1 CPU的结构与功能的结构与功能 CPU的基本功能的基本功能128.1 CPU的结构与功能的结构与功能 CPU的基本功能的基本功能例：从内存读取一字节例：从内存读取一字节t1: R1out, MARint2: Readt3: WMFC t4: MDRout, R2in138.1 CPU

3、的结构与功能的结构与功能 CPU基本功能基本功能例：把一个字写入主存，数据字放在寄存器例：把一个字写入主存，数据字放在寄存器R2中，主中，主存单元地址放在存单元地址放在R1中中 t1: R1out, MARin t2: R2out, MDRin t3: Write t4: WMFC148.1 CPU的结构与功能的结构与功能 CPU基本功能基本功能例：例：MOV R4, R1R1out，R4in例：例：ADD R3,R1,R2 t1: R1out，Yint2: t3: Zout，R3in158.1 CPU的结构与功能的结构与功能 数据通路数据通路168.1 CPU的结构与功能的结构与功能 数据通

4、路数据通路图1图217例例1 CPU结构如图，其中有一个累加寄存器结构如图，其中有一个累加寄存器AC、一、一个状态寄存器；各部分之间的连线表示数据通路个状态寄存器；各部分之间的连线表示数据通路，箭头表示信息转送方向。要求：，箭头表示信息转送方向。要求：（1）标明图中）标明图中a，b，c，d四个寄存器的名称。四个寄存器的名称。（2）简述指令从主存储器取到控制器的数据通路。）简述指令从主存储器取到控制器的数据通路。（3）简述数据在运算器和主存之间进行存）简述数据在运算器和主存之间进行存/取访问的取访问的数据通路。数据通路。1819解解 : （1）a: 存储数据寄存器存储数据寄存器MDR； b: 指

5、令寄存器指令寄存器IR； c: 存储地址寄存器存储地址寄存器MAR； d: 程序计数器程序计数器PC。（2）M IR 控制器控制器（3）读：）读：M MDR ALU ； 写：写： MDR M问题：问题：（1）标明图中）标明图中a，b，c，d四个寄存器的名四个寄存器的名称。称。（2）简述指令从主存储器取到控制器的数）简述指令从主存储器取到控制器的数据通路。据通路。（3）简述数据在运算器和主存之间进行存）简述数据在运算器和主存之间进行存/取访问的数据通路。取访问的数据通路。208.1 CPU的结构与功能的结构与功能 一条指令的完整执行过程一条指令的完整执行过程21 考虑一条比较简单的指令：考虑一条

6、比较简单的指令： Add R1 ，（，（R3） 执行这条指令需要下列动作：执行这条指令需要下列动作：（1）取指令；）取指令；（2）取第一个操作数）取第一个操作数( (由由R3指出的存储单元的内容指出的存储单元的内容) )；（3）完成加法运算；）完成加法运算；（R1+(R3)（4）结果存入）结果存入R1中。中。8.1 CPU的结构与功能的结构与功能22 指令指令Add R1, (R3)的执行控制序列的执行控制序列返回微指令步步 1 PCout,MARin,Read, Clear Y,1=C0, Add, Zin ；取指，；取指，(PC)+1 2 Zout,PCin,WMFC；(PC)+1 = P

7、C 3 MDRout,IRin ；指令；指令 = IR 4 R3out,MARin,Read；取数据；取数据 5 R1out,Yin,WMFC；(R1) = Y 6 MDRout, Add,Zin；相加；相加 7 Zout, R1in, End；结果；结果 = R1 返回微程序概念23步步 动作动作1 PCout,MARin,Read, Clear Y, 1 = C0 ,Add,Zin2 Zout,PCin,WMFC3 MDRout,IRin4 PCout,Yin5 out,Add,Zin6 Zout,End 条件转移指令条件转移指令BRN的情况的情况 上述控制序列中第上述控制序列中第4步应改

8、为：步应改为： If N=0 then End ；N为符号位为符号位 If N=1 then PCout,Yin 无条件转移无条件转移(相对相对)指令指令BR的控制序列的控制序列返回248.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 指令周期、机器周期、时钟周期指令周期、机器周期、时钟周期258.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 指令周期、机器周期、时钟周期指令周期、机器周期、时钟周期268.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 指令周期、机器周期、时钟周期指令周期、机器周期、时钟周期278.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 指令周期、机器周期、时钟周期指令周期、机器周期、时

9、钟周期T288.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 指令周期、机器周期、时钟周期、指令周期、机器周期、时钟周期、CLK（取指令）（取指令） （取有效地址）（取有效地址） （执行指令）（执行指令） （取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令） 节拍节拍(状态状态) 节拍节拍(状态状态)298.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 时序信号的控制方式时序信号的控制方式；308.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 时序信号的控制方式时序信号的控制方式CLK机器周期机器周期机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（取有效地址）（取有效地址）（执行指令）（执行指令）指令周期指

10、令周期318.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 时序信号的控制方式时序信号的控制方式（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）指令周期指令周期 节拍节拍(状态状态)328.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 时序信号的控制方式时序信号的控制方式（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3延长延长 节拍节拍(状态状态)338.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 时序信号的控制方式时序信号的控制方式348.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 时序信号的控制方式时序信号的控制方式。358.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 控制器的功

11、能与种类控制器的功能与种类程序执行完了吗？程序执行完了吗？取出指令取出指令启动启动分析指令分析指令执行指令执行指令转中断处理程序转中断处理程序返回返回否否是是是是否否等待等待368.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 控制器的功能与种类控制器的功能与种类通用寄存器通用寄存器ALUALU +1+1转移转移地址地址地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线378.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 控制器的功能与种类控制器的功能与种类388.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 控制器的功能与种类控制器的功能与种类398.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 控制器的功能

12、与种类控制器的功能与种类408.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 硬布线控制与微程序控制的比较硬布线控制与微程序控制的比较418.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 硬布线实现的控制器硬布线实现的控制器是指是指CPU中各部分状态以及连到中各部分状态以及连到各控制部件的信号，如各控制部件的信号，如MFC信号等。信号等。42 简化的组合逻辑控制器简化的组合逻辑控制器 43 Zin信号的逻辑：（信号的逻辑：（ 图图1是其实现电路）是其实现电路）Zin=T1+T6ADD+T5BR+T5NBRN End控制信号的逻辑：（图控制信号的逻辑：（图2是其实现电路）是其实现电路） End=T7AD

13、D+T6BR+（T6N+T4N）BRN+ 图图1 Zin信号的产生信号的产生 图图2 End信号的产生信号的产生 转图448.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 硬布线实现的控制器硬布线实现的控制器图图3 在一个在一个VLSI芯片（芯片（PLA）上实现控制信号序列）上实现控制信号序列 45dcbadbcdcabdcbaF1abcdcbaF2F1F3F2F4控制信号adcb “IR”或“时序”或“标志”“OR”阵列“AND”阵列图6.18 PLA模型bddcbadcabF3bdabcdbcF4 一个简单的一个简单的PLA模型模型 PLA模型模型 468.2 控制器的功能与设计控制器的功能与

14、设计 微程序控制器微程序控制器47微程序控制器原理框图微程序控制器原理框图488.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制器微程序控制器对应的例子对应的例子 49指令指令Add R1, (R3)的执行控制序列的执行控制序列对应的控制步对应的控制步 508.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制器微程序控制器译 码转移控制控制存储器CSPC起始和转移地址发生器IRCLK.来自主存状态标志条件码.微命令图6.21 微程序控制器的基本组织IR微程序控制器的基本组织微程序控制器的基本组织51 微程序控制器微程序控制器取指令微程序的入口地址 AR从CS读微指令 IR产生下一条微

15、指令的地址AR(PC)取指令微程序完了吗？经PLA译码，形成本指令的微程序入口地址 AR(PC)执行微程序本微程序完了码？CPU开始执行取出指令 IR否否是是图6.22 微程序控制器工作流程8.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计528.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制器微程序控制器控制字段控制字段判断测试字段判断测试字段 下一地址字段下一地址字段538.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制微程序控制548.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制微程序控制558.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制微程序控制56 控制信号（

16、微命令）列表控制信号（微命令）列表57 直接表示法直接表示法微指令格式微指令格式(ADD R3, R2, (R1) 加法指令的微指令编码加法指令的微指令编码PCAB，PC+1，DBIR，READimmALU， ADD，ALUARDB DR，ARAB，READ，DRALU， ADD， ALUGR588.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制微程序控制59图图6.19608.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制微程序控制两级译码两级译码618.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制微程序控制628.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制微程

17、序控制638.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序控制微程序控制648.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序设计微程序设计658.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序设计微程序设计668.2 控制器的功能与设计控制器的功能与设计 微程序设计微程序设计垂直微指令寄存器垂直微指令寄存器水平微指令寄存器水平微指令寄存器微命令微命令控制存储器控制存储器1（微程序）（微程序）控制存储器控制存储器2（毫微程序）（毫微程序）CMAR-1CMAR-2+1 转移地址及转移地址及起始地址起始地址CMAR：控制存储器的地址寄存器：控制存储器的地址寄存器678.2 控制器的功能与设

18、计控制器的功能与设计 动态微程序的设计动态微程序的设计：实现指令系统的：实现指令系统的：使计算机的指令系统：使计算机的指令系统，采用这种技术的机器，采用这种技术的机器、适应不同的应用场合，而适应不同的应用场合，而u利用部分未定义的利用部分未定义的，用户可自定义，用户可自定义指令；将编写好所定义指令的微程序写入控制指令；将编写好所定义指令的微程序写入控制存储器（存储器（WCS）；成为指令系统的一部分）；成为指令系统的一部分688.3 流水线处理器流水线处理器：将功能部件分离、执行时间重叠：将功能部件分离、执行时间重叠的一种技术，它可以在增加尽可能少的硬件设的一种技术，它可以在增加尽可能少的硬件设

19、备情况下有效地提高备情况下有效地提高CPU性能。性能。 ：将指令执行的各个阶段（如取指阶：将指令执行的各个阶段（如取指阶段与执行阶段）重叠执行的技术称为指令流水。段与执行阶段）重叠执行的技术称为指令流水。：在诸如：在诸如ALU，浮点运算部件等部件，浮点运算部件等部件中如果采用流水技术，称为操作流水。中如果采用流水技术，称为操作流水。698.3 流水线处理器流水线处理器 基本概念基本概念时间时间E3F1E1F2E2F3 I1 I2 I3（a）顺序执行）顺序执行存储缓冲器存储缓冲器 B1取指令取指令部部 件件执执 行行部部 件件（b）硬件组织）硬件组织时钟周期时钟周期 1 2 3 4F1E1F2E

20、2F3E3I1I2I3(c)流水线执行流水线执行指令指令708.3 流水线处理器流水线处理器 一个五段（级）指令流水分析一个五段（级）指令流水分析718.3 流水线处理器流水线处理器 一个五段（级）指令流水分析一个五段（级）指令流水分析 上图中，完成上图中，完成4条指令的执行只用了条指令的执行只用了8个时钟周期；个时钟周期；而非流水线的顺序处理则需而非流水线的顺序处理则需20个时钟周期。个时钟周期。IFIDOFEXWBB1B2B3B4IFIFWBWBEXEXOFOFIDID指令指令I1I4I2I32 28 81 17 76 65 54 43 3时钟周期时钟周期IFIFWBWBEXEXOFOFI

21、DIDIFIFWBWBEXEXOFOFIDIDIFIFWBWBEXEXOFOFIDID728.3 流水线处理器流水线处理器 流水线中的相关问题及解决流水线中的相关问题及解决738.3 流水线处理器流水线处理器 流水线中的相关问题及解决流水线中的相关问题及解决，代码与数据分开存放，代码与数据分开存放，使两条相邻指令的操作数，使两条相邻指令的操作数存放在不同的存储体内存放在不同的存储体内提前将指令取出并放入指令队列中；指令发射部提前将指令取出并放入指令队列中；指令发射部件将队列头上的指令发送到空闲的执行部件去执件将队列头上的指令发送到空闲的执行部件去执行行适用于访存周期短的情况适用于访存周期短的情

22、况748.3 流水线处理器流水线处理器 流水线中的相关问题及解决流水线中的相关问题及解决阻塞（后推法）阻塞（后推法）定向转发（向前数据通路法）定向转发（向前数据通路法）乱序乱序758.3 流水线处理器流水线处理器 定向技术消除定向技术消除RAW相关相关 768.3 流水线处理器流水线处理器 用乱序解决写后读（用乱序解决写后读（RAW）相关）相关778.3 流水线处理器流水线处理器 流水线中的相关问题及解决流水线中的相关问题及解决788.3 流水线处理器流水线处理器 流水线中的相关问题及解决流水线中的相关问题及解决798.3 流水线处理器流水线处理器 流水线中的相关问题及解决流水线中的相关问题及

23、解决：编译器来完成，预测部分代码放在转：编译器来完成，预测部分代码放在转移指令中，移指令中，指令指令的操作码字段指明转移被预测为的操作码字段指明转移被预测为发生还是不发生。发生还是不发生。：用硬件：用硬件记录上次转移预测的结果，并记录上次转移预测的结果，并以此为依据来预测下次转移是否会发生。现代计以此为依据来预测下次转移是否会发生。现代计算机经常采用一种转移目标缓冲器算机经常采用一种转移目标缓冲器BTB来保存更来保存更多的信息以提高预测的准确度和程序执行的性能。多的信息以提高预测的准确度和程序执行的性能。显然，同样的转移指令在不同的场合可能有不同显然，同样的转移指令在不同的场合可能有不同的预测

24、结果。的预测结果。808.3 流水线处理器流水线处理器 流水线中的相关问题及解决流水线中的相关问题及解决(a) 原始程序段原始程序段LOOP：SL R1 ；R1左移左移1位位 Dec R2 ；R2(R2-1) BNZ LOOP ；不为零，转移；不为零，转移NEXT：Add R1+R3(b) 指令重排序后指令重排序后LOOP：Dec R2 BNZ LOOP SL R1NEXT：Add R1+R3818.4 多发射技术多发射技术 流水线中的多发射技术流水线中的多发射技术828.4 多发射技术多发射技术 超标量概述超标量概述838.4 多发射技术多发射技术 超标量概述超标量概述IFIDOFEXWB超标度为超标度为3的五段超标量处理器的五段超标量处理器IFIDOFEXWBWBEXOFIDIFI1I2I3I4I5I6I7I8I9IFIDOFEXWBIFIDOFEXWBIFIDOFEXWBIFIDOFEXW