新编2015处理器(补充)

1COMPUTERORGANIZATIONTECHNOLOGY2Chapter3

OperationofcomputerorganizationandarchitectureinstructionsystemCPUoperationcoursepipelinenewtecnology3organizationandarchitecture1VON.NEUMANNarchitecture2

VON.NEUMANNarchitecturedevelopmentENIAC

istheBegining4VON.NEUMANNarchitecture特点：计算机由运算器、存储器、控制器和输入输出设备组成。指令和数据存放在存储器中，按地址访问。指令和数据以二进制码表示。指令由操作码和操作数。指令在存储器中存放，顺序执行，（程序存储程序控制原理）。机器以运算器为中心，IO与存储器之间数据传送通过运算器来完成。5VON.NEUMANNarchitecturedevelopmentSystemorganizationdevelopmentCUMemorysystemIO

systemMulti-Bus6Von.Neumann计算机结构的演化（二）控制部件设计多样化逻辑电路设计微程序设计现代计算机系统采用了总线结构Neumann结构中各部分的连接。BUS（AB、DB、CB）BUS的逻辑断开7Von.Neumann计算机结构的演化（三）以存储器为计算机的中心存放数据和程序的地方存储器的发展控制总线控制读写数据总线传输地址总线选取数据单元（一般以字节为基本单元）分类：ROM,RAM,PROM,EPROM,EEPROM存储器有RAM组成存储器的操作过程8Von.Neumann计算机结构的演化（四）输入输出系统的功能加强程序控制方式中断方式DMA方式通道方式外围处理机（PPU）虽然计算机已有很多变化，对冯诺伊曼的许多方面作了改进，但从本质上还没有较大的体系结构变化，还遵循着“程序存储程序控制原理”，因此，现代计算机还是冯氏计算机系统。9指令系统指令系统是计算机能力的体现；指令系统是计算机能够执行的各种操作的集合。内容：指令系统的基本概念指令字长和指令格式10指令系统的基本概念（1）计算机语言：机器语言、汇编语言、高级语言机器语言是计算机唯一能够识别并执行的语言由二进制编码表示一条指令规定一个操作所有的指令构成了指令系统汇编语言使用反映指令功能的助记符表达的计算机语言与指令一一对应。汇编程序进行汇编，生成机器语言程序高级语言是面向用户的语言上两种是面向机器的语言编译和解释11指令系统的基本概念（2）指令系统的设计是计算机系统设计核心问题是软硬件的交界面完善的指令系统应该具备的条件指令系统完备（基本指令，复杂指令）指令系统支持最高效率执行指令编码合理（操作码支持多种数据类型、数据表示）采用系列机概念12指令字长和指令格式机器字长：计算机能够直接处理的二进制位数，决定了运算精度，一般与主存单元长度一致。一条的指令字长是指令中包含二进制的位数。单字长指令、双字长指令、多字长指令。多字长指令：访存地址位长，访问空间大，需多个主存周期读取，降低了取指速度。指令格式：操作码+操作数（数或地址）13操作码规定指令的操作类型（作用）每条指令都规定一个操作码。一般N位编码能表示2N条指令指令的操作码种类繁多，因此，编码有学问平均编码长度信息熵用短的编码表示使用频度高的指令。14操作数单操作数指令双操作数指令多操作数指令功能特点指令助记符15中央处理器CPUcpu是计算机的核心电路，人的大脑cpu的主要功能：运算、控制cpu的组成：运算器、控制器、寄存器和相关电路3.3.1主要寄存器3.3.2运算器3.3.3控制器

161主要寄存器寄存器使CPU内部的存储信息单元，负责存放数据、地址、状态和控制信息，可以减少对内存的访问，从而提高计算机的速度。Accumulator:AC是CPU中一个重要的Register，有许多与之相关的累加器指令，主要功能：运算前保存一个操作数（被加数、被减数），运算后：保存运算结果。ProgramCounter:

存放下一条要执行的指令地址，有自动加1功能。程序开始，分支转移。AddressRegister:

用来存放指令或操作数的地址。是一个暂存单元。访存时，读写用。DataRegister:用于存放数据和指令。InstructionRegister:CommonRegisterGroup:FlagRegister:

用来运算结果的特征和运算器的状态。在上述R中除IR、AR、DR，程序员不能使用外，其余的寄存器都可以使用。172运算器运算器是进行数据变换和运算的功能部件，核心为ALU。功能：算术逻辑运算。组成：加法电路、逻辑电路、寄存器。运算：任何数学问题可划减为加法和移位运算。控制：有译码器产生的控制信号来控制。输入：接收二进制数据，来源AC、其他Register和FR。输出：结果存放与AC，标志传送给FR。发展：专用运算电路，并行加法器。183控制器控制器是用来控制程序的执行，协调各功能模块的部件。是计算机工作的指挥调度中心。功能：译码分解微操作、生成统一节拍的控制信号、驱动各功能部件有条不紊的工作。组成：时序部件、寄存器组和微操作控制电路（译码器）。时序部件：包括主时钟源、节拍发生器和起停控制逻辑。定时信号：CPU工作周期性需要精确的定时信号，时钟发生器时钟周期：两个相临的脉冲前沿的时间间隔（状态T），是计算机工作的最小时间单位。指令时序：指令执行时，为其包含的微操作制订的工作时间表。机器周期：完成一个基本操作所需的时间，可包含若干个时钟周期。指令周期：完成一条指令所需要的机器周期数。指令周期（1~n个机器周期）T1机器周期M2。。。T2T3TnT1T2T3T4…Tn。。。T4…机器周期M1分频：功能部件的一个执行周期包含的时钟周期数倍频：功能部件的工作频率为基频的倍数基频：系统提供的工作时钟超频：实际工作频率超过额定频率19微操作信号产生电路的设计方法微操作控制部件的功能：根据操作码和时序信号产生操作控制信号，建立数据通路，完成指令功能。指令===〉微操作控制信号主要设计方法数字逻辑设计方法微程序设计方法20数字逻辑设计方法组合逻辑控制器的设计思想：把指令系统中各指令执行时要求的微操作综合归纳，形成微操作集；把微操作集中各微操作执行所要求的电路、时钟考虑进去，用数字逻辑电路实现。工作步骤：1、分解指令归纳成若干微操作（电路操作）；2、将微操作结合指令周期的时钟信号考虑，采用普通的逻辑电路设计方法。3、对全部指令的微操作进行综合分析，求出各个微操作对应的逻辑表达式，设计出操作控制线路。4、每个微操作的输出，是一个微操作控制信号，用来对机器进行控制。21微程序设计方法微程序设计：把CPU的每步操作当作一个微命令（微操作）；由微操作组合成微指令；由微指令编写微程序，解释执行机器指令。微程序固化到控存中。将程序存储控制原理引入到CPU的控制电路中。优点：缺点：1、设计规整化1、结构复杂2、可修改性2、运算数度慢3、可扩充性4、可变的系统结构22计算机的工作过程简单地说计算机的工作过程就是程序的执行过程。程序--〉指令序列--〉取指、分析、取数和执行，周而复始。指令执行过程：取指：分析：取数：执行：

合为分析阶段23工作过程分析24计算机工作过程事例分析例：5+6=？LDA，5；ADDA，6；MOV（8），A；STOP；

000000010101000001010200000000030000011004000001100500001000060000011107080000101125流水线技术流水线技术是在现代计算机设计中，被广泛使用并且效果卓著的技术之一。主要内容：3.5.1流水线的基本概念3.5.2流水线的种类3.5.3流水线的相关问题26加快计算机语言的解释速度的方法选用更高速的硬件、用更好的运算方法、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。采用同时解释两条、多条以至整段程序的控制方式。重叠和流水是其中常用的控制方式。本章主要讲述这两种方式的基本原理、实现中要解决的主要问题和办法，以及性能分析。27时间重叠的基本原理张三，李四，王五，赵六每人要洗一包衣服。洗衣服的过程包括：用洗衣机30分钟烘干机30分钟熨烫30分钟把衣服打包需30分钟28串行洗衣店串行洗衣店需要8个小时完成4个工作量如果他们采用时间重叠技术呢？29流水化的洗衣店、尽可能早的开始工作流水化洗衣店3.5个小时完成4个工作量301流水线的基本概念流水线名词来源流水线技术内涵流水线描述图示工业装配流水线工艺将一个重复的处理过程分解成若干个字处理过程，每个子过程可以与其他的子过程同时处理。流水线的关键问题：1、任务分解2、瓶颈问题----每个子功能部件工作时间相同3、速度----吞吐率取决于子任务稳定添加速度比较：一条指令的执行时间流水执行的指令时间311流水线的基本概念取指令分析指令执行指令写结果以上是早期的处理器的工作过程,由于效率不高,所以出现了流水线技术,采用指令流水线，能使各操作部件同时对不同的指令进行加工,提高了机器的工作效率。从另一方面讲,当处理器可以分解为m个部件时，便可以每隔1/m个指令期解释一条指令,加快了程序的执行速度,但对指令的执行速度并没有加快。

8086CPU的流水技术322流水线的种类指令流水线是将指令的整个执行过程按流水线部件进行分段处理。典型的指令执行过程是取指令一指令译码一形成地址一取操作数一执行指令、回写结果一修改指令指针。数据流水线是指浮点运算、乘法、除法等都需要多个机器周期才能完成，为了加快运算速度，把流水线技术引入到运算操作部件中，就形成了运算流水线。指令分解：取指译码形址取数执行写数修改PC浮点流水线对阶尾数相加规格化33指令间的相关是指由于一段机器语言程序的相近指令之间出现了某种关联，因它们不能同时被解释，使指令流水线出现停顿，从而影响指令流水线的效率。指令间的相关大体可分控制相关（controldependency）部件相关（unitdependency）数据相关（datadependency）3流水线的相关问题

控制相关当一条指令要等前一条（或几条）指令作出转移方向的决定后才能开始进入流水线时，便发生控制相关。措施有

1.延迟转移法2.猜测转移法部件（设备）相关当多条指令进入流水线后，在同一机器时钟内争用同一部件，此时发生部件相关。措施有1.停一拍2.增加专用设备数据相关数据相关在几条相近的指令间共用同一个存储单元或寄存器时发生。数据相关有三种情形，读--写相关（先写后读，即RAW--ReadAfterWrite）、写--读相关（先读后写，即WAR--WriteAterRead）、写--写相关（先写后写，WAW--WriteAfterWrete）。解决这种数相关，可采用数据旁路（bypassing）或称数据内部传递（internalforwarding）技术。34高性能处理机技术常见的多发射技术超标量技术超流水线技术超长指令字技术超标量（superscalar）技术是指可以在每个时钟周期内同时并行发送多条独立指令，即以并行操作方式将两条或两条以上指令，编译、执行之。需要多套执行设备，用空间换时间。

超长指令字（VLIW）采用多条指令在多处理部件中并行处理的体系结构。VLIW是由编译程序在编译时挖掘出指令间潜在的并行性后，把多条能并行执行的操作组合成一条具有多个操作段的超长指令流水线技术使计算机系统结构产生重大革新。另一出路是开发多发射技术，即设法在一个时钟周期内发出多条指令

超流水线（superpipelining）技术是流水线的执行周期为机器周期的1/n；即将机器周期分成n个子周期，每个子周期发射一条指令。通用微处理器微处理器MicroProcessingUnit，CPU是一种通用的MPU。CPU是计算机的核心，具有运算能力和控制能力。CPU的功能：算术逻辑运算保存少量数据译码并执行规定操作与存储器和外设交换数据提供系统的定时和控制信号相应中断请求CPU的组成：算术逻辑部件累加器和通用寄存器程序计数器、指令寄存器和译码器时序和控制部件主要内容：5.18086/8088CPU5.2IBMPC微机及工作原理5.316位MPU到32位MPU的过渡5.4Pentium系列处理器5.5通用MPU的评价5.6RISC技术8086/8088CPUIntel8086/8088芯片引脚介绍8086/8088CPUIntel8086/8088特点与以前的4位、8位微处理器相比，特点鲜明。集流水线、寄存器结构、总线结构、复杂指令于一身的经典微处理器。结构图最早采用流水线结构的微处理器采用分时服用的总线结构存储器空间进行分段管理丰富的指令集丰富的寄存器组容易构成的时序系统8086/8088CPU最早采用流水线结构的微处理器采用分时复用的总线结构存储器空间进行分段管理8086实用20为地址信号，可寻址1MB地址空间。存放地址的寄存器IP、SP、BP、SI、DI只有16位。段（逻辑段）：最多可包含64KB；起始地址（基址）是一个能被16整除的数，最后4位为0；基址是用软件设置；段和段可连续、分开、重叠。分段好处：指令涉及16位地址，简短长度；编程时，程序员不用考虑程序装配问题，交与操作系统管理。丰富的指令集复杂指令集CPU的代表。24种寻址方式，支持多种数据结构。增加了乘除法指令、数据串指令等。能对16位字数据操作，也能对8位字节数据操作。丰富的寄存器组Flagregister1514131211109876543210OFDFIFTFSFZFAFPFCF容易构成的时序系统8086对机器周期概念进一步拓展，可以通过总线周期来理解。一个总线周期由四个时钟周期组成，T1、T2、T3、TW、T4。T1T2T3TwT4TiTiT1T2T38086总线周期时序发出地址信息从AB上撤消地址信息，AB浮空发送数据于DB结束等待IO设备读数据总线空闲IBMPC微机及工作原理IBMPC结构图主要芯片8087运算协处理器8089IO协处理器8288总线控制器8289总线仲裁器8284时钟发生器8282锁存器8286数据收发器8237DMA控制器8259中断控制器8253定时计数器8255并行接口IBMPC微机及工作原理主要内容：IBMPC中数据的存储IBMPC的分段存储结构IBMPC的工作过程IBMPC中数据的存储8088有20条AB，可寻址1MBYTE；每个BYTE存储单元有唯一地址，无符号整数；地址范围：00000H~0FFFFFH；按字存放时，“先低地址字节，后高地址字节”的原则，推广当存放双字时，“先低字，后高字”；规则存放：字数据从偶数地址开始存放；不规则存放（不提倡）20000HAA5520002H554420004H332220006H……55AAH22334455HIBMPC的分段存储结构8086的内部寄存器是16位（地址的宽度大于字长）。显然，不能用16位的寄存器来实现对220＝1M字节单元的寻址。为此，引入了存储器“分段”的概念，即把1M字节内存空间分成若干段。每段最大可达64K字节－－可由16位寄存器进行寻址。段的起始地址成为“段基址”，要访问的单元距段基址的距离（字节数）为“偏移量”（Offset）。……段的起始地址偏移量要访问的单元段IBMPC的分段存储结构程序设计时，使用的是逻辑地址。逻辑地址由“段基址”和“偏移量”构成（均为16位）。“段基址”由段寄存器CS、DS、SS和ES提供；“偏移量”由BX、BP、IP、SP、SI、DI或根据寻址方式计算出的有效地址EA（EffectiveAddress）提供*。注意：①每个存储单元有唯一的物理地址，但它却可由不同的“段基址”和“偏移量”组成。例如：

1200H:0345H12345H 1100H:1345H12345H②

除非专门指定，一般情况下，段在存储器