第6周大课处理器(4)

1、 1/36计算机组成原理计算机组成原理处理器的主要组成部分：处理器的主要组成部分： 寄存器、运算器、控制器寄存器、运算器、控制器处理器的主要工作是执行指令处理器的主要工作是执行指令中断的机制中断的机制 2/36计算机组成原理计算机组成原理采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器RISC处理器处理器 3/36计算机组成原理计算机组成原理理解流水线处理器的特点理解流水线处理器的特点掌握衡量流水线的主要指标掌握衡量流水线的主要指标理解理解RISC处理器的主要特征处理器的主要特征 4/36计算机组成原理计算机组成原理3. 2 处理器的组成与工作过程处理器的组成与工作过程 3. 2. 1 处理器的基

2、本功能和基本组成处理器的基本功能和基本组成3. 2. 2 计算机的工作过程计算机的工作过程3. 2. 3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 5/36计算机组成原理计算机组成原理n选用更高速的器件选用更高速的器件n用更好的运算方法用更好的运算方法n提高指令内各微操作的并行程度、减少解释过程提高指令内各微操作的并行程度、减少解释过程所需的拍数等措施。所需的拍数等措施。n采用同时解释两条（重叠）、多条（流水）以至采用同时解释两条（重叠）、多条（流水）以至整段程序的控制方式。整段程序的控制方式。 6/36计算机组成原理计算机组成原理1.一次重叠一次重叠 解释一条机器指令的那些微操作可归并成

3、解释一条机器指令的那些微操作可归并成: 取指令取指令、分析分析与与执行执行 三个阶段。三个阶段。 从时间上看如下所示：从时间上看如下所示：取指令取指令分析分析执行执行 7/36计算机组成原理计算机组成原理多条指令的解释方式多条指令的解释方式 （1）顺序解释方式顺序解释方式：各条机器指令之间顺序串行的执：各条机器指令之间顺序串行的执行，执行完一条指令后才取出下条指令来执行，且每行，执行完一条指令后才取出下条指令来执行，且每条机器指令内部的各个微操作也是顺序串行的执行。条机器指令内部的各个微操作也是顺序串行的执行。取指取指k分析分析k执行执行k取指取指k+1 分析分析k+1 执行执行k+13.2.

4、3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 8/36计算机组成原理计算机组成原理执行执行n条指令所用的时间为条指令所用的时间为tntttTniiii3(1）执行分析取指令3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器取指取指k分析分析k执行执行k取指取指k+1 分析分析k+1 执行执行k+1多条指令的解释方式多条指令的解释方式 9/36计算机组成原理计算机组成原理取指令取指令k k分析分析k k取指令取指令k+1k+1执行执行k k分析分析k+1k+1取指令取指令k+2k+2执行执行k+1k+1分析分析k+2k+2执行执行k+2k+23.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线

5、技术的处理器 （2）指令的）指令的重叠解释方式重叠解释方式： 在解释第在解释第 k 条指令的操作完成之前，就可以开条指令的操作完成之前，就可以开始解释第始解释第 k+1 条指令。如下所示：条指令。如下所示：多条指令的解释方式多条指令的解释方式 10/36计算机组成原理计算机组成原理指令的重叠解释所需的硬件支持指令的重叠解释所需的硬件支持需要独立的需要独立的“取指取指”、“分析分析”和和“执行执行”部件部件解决部件同步的硬件解决部件同步的硬件寄存器：存放处理寄存器：存放处理/运算的中间结果运算的中间结果同步时钟：同步相邻两个部件的操作同步时钟：同步相邻两个部件的操作3.2.3 采用流水线技术的处

6、理器采用流水线技术的处理器 11/36计算机组成原理计算机组成原理如果三过程的时间相等，执行如果三过程的时间相等，执行 n 条指令条指令的时间为：的时间为： T( 2n ) t取指令取指令k k分析分析k k取指令取指令k+1k+1执行执行k k分析分析k+1k+1取指令取指令k+2k+2执行执行k+1k+1分析分析k+2k+2执行执行k+2k+23.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 12/36计算机组成原理计算机组成原理“重叠解释方式重叠解释方式”在实现时，要解决的一个在实现时，要解决的一个重要问题是重要问题是“主存储器的访问冲突主存储器的访问冲突”问题问题 。 取指部件

7、、分析部件、执行部件可能会同时取指部件、分析部件、执行部件可能会同时访问主存储器。访问主存储器。3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 13/36计算机组成原理计算机组成原理解决访存冲突的方法：解决访存冲突的方法：多端口存储器多端口存储器交叉访问主存储器交叉访问主存储器Harvard 结构主存储器系统结构主存储器系统将指令系统设计成将指令系统设计成“Load/Store”风格风格1.在处理器内部设置在处理器内部设置“先行指令预取缓冲队列先行指令预取缓冲队列” 以以“周期挪用周期挪用”的方式访问主的方式访问主存，预先取出若干指令。存，预先取出若干指令。 规定取指部件只访问规定取

8、指部件只访问“先行指先行指令缓冲队列令缓冲队列”，不再访问主存，不再访问主存3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 14/36计算机组成原理计算机组成原理 由于在处理器内部设置由于在处理器内部设置“先行指令缓冲队列先行指令缓冲队列”（简称（简称“指缓指缓”），所以），所以“取指取指”操作是在处理器操作是在处理器内部完成的，时间很短。内部完成的，时间很短。 因此可以将因此可以将“取指取指”阶段归并到阶段归并到“分析分析”阶段。阶段。这样指令的解释就分成了这样指令的解释就分成了“分析分析”和和“执行执行”两个两个阶段。阶段。分析分析k k执行执行k k分析分析k+1k+1执行执行

9、k+1k+1分析分析k+2k+2执行执行k+3k+33.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 15/36计算机组成原理计算机组成原理与顺序解释相比，机器的最大吞吐率提高了一倍。与顺序解释相比，机器的最大吞吐率提高了一倍。 如何进一步提高最大吞吐率呢？如何进一步提高最大吞吐率呢？3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 16/36计算机组成原理计算机组成原理2.流水线技术流水线技术 将指令的解释过程进一步的细分为：将指令的解释过程进一步的细分为： 取指令取指令、指令译码指令译码、取操作数取操作数、执行执行 四个阶段，四个阶段， 并分别由独立的部件实现。并分别由独立

10、的部件实现。入入取取指指令令指令指令译码译码取操取操作数作数执执行行出出虽然完成一条指令的时间仍是虽然完成一条指令的时间仍是T，但是每隔但是每隔t = T/ 4 就就“流出流出”一个结果，即吞吐率比顺序解释提高了三倍。一个结果，即吞吐率比顺序解释提高了三倍。3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 17/36计算机组成原理计算机组成原理流水线的每一个阶段称为流水步、流水段、流水功能段、流水线的每一个阶段称为流水步、流水段、流水功能段、功能段、流水级等；功能段、流水级等；在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄存器，称在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄存器，称为流水锁存器、

11、流水闸门寄存器等。它会增加硬件设备为流水锁存器、流水闸门寄存器等。它会增加硬件设备以及指令的执行时间。以及指令的执行时间。 3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器2.流水线技术流水线技术 18/36计算机组成原理计算机组成原理 例例3-12 某计算机的指令流水线由四个功能段组成。某计算机的指令流水线由四个功能段组成。 已知指令流经各功能段的时间（忽略各功能段之间的缓已知指令流经各功能段的时间（忽略各功能段之间的缓存时间）分别为存时间）分别为90ns、80ns、70ns和和60ns，则该计算机的，则该计算机的CPU时钟周期至少是时钟周期至少是 。 A90ns B80ns C70

12、ns D60nsA3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 19/36计算机组成原理计算机组成原理3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器3.流水线的表示与分类流水线的表示与分类连连 接接 图图时空时空 图图入入取取指指令令指令指令译码译码取操取操作数作数执执行行出出 为了简化，在流水线连接图为了简化，在流水线连接图中一般不画出流水锁存器。中一般不画出流水锁存器。 20/36计算机组成原理计算机组成原理12345123451234512345空间空间 时间时间 取指令取指令指令译码指令译码取操作数取操作数执行执行 t 2t 3t 4t 5t 6t 7t 8tt2

13、3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 21/36计算机组成原理计算机组成原理流水线的流水线的建立时间建立时间：流水线从开始启动到流出第一个结果：流水线从开始启动到流出第一个结果所经过的时间所经过的时间流水线的流水线的排空时间排空时间：最后一个任务流入到流出的时间：最后一个任务流入到流出的时间流水线处理的流水线处理的总时间总时间：流水线从第一个任务流入到最后一：流水线从第一个任务流入到最后一个任务流出的时间。个任务流出的时间。3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 22/36计算机组成原理计算机组成原理3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器

14、建立时间建立时间 排空时间排空时间 总处理时间总处理时间 23/36计算机组成原理计算机组成原理流水线的流水线的加速比加速比(Sp, Speedup)： 串行处理所花时间与并行（流水）处理所花时间的比值串行处理所花时间与并行（流水）处理所花时间的比值吞吐率吞吐率( TP, Throughput Rate)： 一条流水线在单位时间内流出的任务数或结果数一条流水线在单位时间内流出的任务数或结果数.最大吞吐率最大吞吐率： 流水线正常满负荷流动时，每隔流水线正常满负荷流动时，每隔t 时间，就会有一个时间，就会有一个结果流出流水线。这时的吞吐率最大，等于结果流出流水线。这时的吞吐率最大，等于1/ t .

15、流水线的流水线的效率效率： 流水线的设备利用率流水线的设备利用率.3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 24/36计算机组成原理计算机组成原理例例3-13 某某CPU主频为主频为1.03GHz，采用，采用4级指令流水线，级指令流水线，每个流水段的执行需要每个流水段的执行需要1个时钟周期。假定个时钟周期。假定CPU执行了执行了100条指令，在其执行过程中，没有发生任何流水线阻塞，条指令，在其执行过程中，没有发生任何流水线阻塞，此时流水线的吞吐率为此时流水线的吞吐率为 。A. 0.25109条指令条指令/秒秒 B. 0.97109条指令条指令/秒秒 C. 1.0 109条指令条

16、指令/秒秒 D. 1.03109条指令条指令/秒秒C3.2.3 采用流水线技术的处理器采用流水线技术的处理器 25/36计算机组成原理计算机组成原理3. 1 处理器的指令集处理器的指令集 3. 2 处理器的基本组成与工作过程处理器的基本组成与工作过程 3. 3 从从CISC到到RISC 上世纪七十年代，系列机的发展，使得计算机的指令系上世纪七十年代，系列机的发展，使得计算机的指令系统变得越来越复杂。统变得越来越复杂。 例如，例如，VAX-11 拥有拥有 330条指令，指令长度从条指令，指令长度从16位到位到456位长不等，寻址方式有位长不等，寻址方式有16种。种。 这使得这使得CPU的设计变得

17、十分复杂，设计周期延长，设计的设计变得十分复杂，设计周期延长，设计成本倍增。成本倍增。3. 3. 1 RISC产生的背景产生的背景 26/36计算机组成原理计算机组成原理序号序号指令名称指令名称使用频率使用频率累积百分比累积百分比1MOV24.8524.852PUSH10.3635.213CMP10.2845.494JMP9.0354.525ADD6.0861.326POP4.1465.467RET3.9269.388CALL3.8973.279JUMP2.7075.9710SUB2.4378.4011INC2.3780.7712LES1.9882.7513REPN1.9284.6714IMU

18、L1.6986.3615DEC1.3787.7316XOR1.1388.8617REPNZ0.7889.6418CLD0.5490.10 某计算某计算机的指机的指令使用令使用频率频率 27/36计算机组成原理计算机组成原理 20 80 规律规律 在典型程序的运行中，在典型程序的运行中，80% 的时间执行的只是占指令系的时间执行的只是占指令系统统 20% 的少数常用指令。的少数常用指令。在在CPU控制存储器中，控制存储器中，80% 的空间被只占运行时间的空间被只占运行时间 20% 的多数复杂指令占用。的多数复杂指令占用。3. 3. 1 RISC产生的背景产生的背景 由于存在着由于存在着“软硬件等

19、价性原理软硬件等价性原理” ，复杂指令的功能，复杂指令的功能可以由基于简单指令的子程序来完成。可以由基于简单指令的子程序来完成。 所以人们就产生了一种想法：设计一个只具有简单指所以人们就产生了一种想法：设计一个只具有简单指令的简单的令的简单的CPU 28/36计算机组成原理计算机组成原理 1975年，年，IBM的的John Cocke 领导的一个研究小组率先领导的一个研究小组率先设计了一个只有设计了一个只有120条简单指令的计算机条简单指令的计算机IBM 8011981年，美国加州大学伯克利分校的年，美国加州大学伯克利分校的David Patterson 设计了一个只有设计了一个只有31条指令

20、的简单的微处理器，并将其命条指令的简单的微处理器，并将其命名为名为RISC IRISC是是Reduced Instruction Set Computer的缩写的缩写3. 3. 1 RISC产生的背景产生的背景 29/36计算机组成原理计算机组成原理 IBM的的John Cocke 也因此获得了国际计算也因此获得了国际计算机界的最高奖机界的最高奖图灵奖。图灵奖。 此后，此后，RISC技术得到了广泛地接受，几乎技术得到了广泛地接受，几乎所有的微处理器都宣称采用所有的微处理器都宣称采用RISC技术。技术。 30/36计算机组成原理计算机组成原理 采用简单的指令格式、寻址方式的计算机就称为精采用简单

21、的指令格式、寻址方式的计算机就称为精简指令集计算机简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer） 相对而言，具有复杂的指令格式、寻址方式的计算相对而言，具有复杂的指令格式、寻址方式的计算机就称为复杂机就称为复杂指令集计算机指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer）3. 3. 1 RISC产生的背景产生的背景 31/36计算机组成原理计算机组成原理3. 3 从从CISC到到RISC3. 3. 1 RISC产生的背景产生的背景3. 3. 2 RISC的定义的定义 目前，指令条数的多少已不再是区分目前，指令条数

22、的多少已不再是区分CISC和和RISC的的标志，标志， CISC和和RISC正在走向融合。绝大多数现代微处理正在走向融合。绝大多数现代微处理器都宣称采用器都宣称采用RISC技术。技术。 对于对于RISC，目前尚未出现一个能为众人所接受的定义，目前尚未出现一个能为众人所接受的定义。但是人们更多关注的是。但是人们更多关注的是RISC的特征的特征 32/36计算机组成原理计算机组成原理RISC 的主要特征的主要特征 选用使用频率较高的一些选用使用频率较高的一些 简单指令简单指令 复杂指令的功能由简单指令来组合复杂指令的功能由简单指令来组合 指令指令 长度固定长度固定 只有只有 LOAD / STORE 指令访存指令访存 引入流水技术，引入流水技术，一个时钟周期一个时钟周期 完成一条指令完成一条指令 组合逻辑组合逻辑 实现控制器实现控制器 多个多个 通用通用 寄存器寄存器 采用采用 优化优化 的的 编译编译 程序程序 33/36计算机组成原理计算机组成原理RISC的新发展的新发展控制系统部分采用微程序技术；控制系统部分采用微程序技术；指令的种类有所增加指令的种类有所增加；现代现代RISC具有如下特点具有如下特点1.面向寄存器结构；面向寄