第八章CPU的结构与功能课件

第八章CPU结构和功能教学目标：掌握CPU的结构；理解指令周期的概念；了解指令流水的概念；掌握中断系统的原理和过程；教学重点：CPU的结构；指令周期数据流；中断系统；.第八章CPU结构和功能8.1CPU的结构8.3指令流水8.2指令周期8.4中断系统.8.1CPU的结构一、CPU的功能取指令分析指令执行指令，发出各种操作命令控制程序输入及结果的输出总线管理处理异常情况和特殊请求1.控制器的功能2.运算器的功能实现算术运算和逻辑运算指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断.PCIR指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断ALU寄存器中断系统1.使用系统总线的CPUCU时序电路寄存器ALU

中断

系统CUCPU控制总线数据总线地址总线二、CPU结构框图.算术和布尔逻辑取反移位状态标志内部数据总线CPU寄存器CU中断系统ALU控制信号…2.CPU的内部结构.1.用户可见寄存器(1)通用寄存器存放操作数可作某种寻址方式所需的专用寄存器(2)数据寄存器存放操作数（满足各种数据类型）两个寄存器拼接存放双倍字长数据(3)地址寄存器存放地址，其位数应满足最大的地址范围用于特殊的寻址方式段基值栈指针(4)条件码寄存器存放条件码，可作程序分支的依据如正、负、零、溢出、进位等三、CPU的寄存器.(1)控制寄存器PC控制CPU操作(2)状态寄存器其中MARMDRIR

用户不可见PSW寄存器程序状态字寄存器存放条件码等

PC

用户可见3.举例Z80008086MC68000MARMMDRIR2.控制和状态寄存器.1.CU产生全部指令的微操作命令序列组合逻辑设计微程序设计硬连线逻辑存储逻辑2.中断系统参见第四篇五、ALU参见8.4参见第六章四、控制单元CU和中断系统.8.2指令周期一、指令周期的基本概念1指令周期取出并执行一条指令所需的全部时间完成一条指令取指、分析取指周期执行周期执行取指阶段执行阶段取指周期执行周期（取指、分析）（执行指令）指令周期.2每条指令的指令周期不同取指周期指令周期NOP取指周期执行阶段指令周期ADDmem取指周期执行周期指令周期MULmem.3具有间接寻址的指令周期取指周期间址周期指令周期执行周期4带有中断周期的指令周期取指周期间址周期指令周期执行周期中断周期.5指令周期流程取指周期有间址吗？执行周期有中断吗？间址周期中断周期是是否否.6CPU工作周期的标志CPU访存有四种性质取指令取地址取操作数存程序断点取址周期间址周期执行周期中断周期CPU的四个工作周期DFEDINDDEXDINTCLK1FE1IND1EX1INT.IR二、指令周期的数据流1取指周期数据流PCMARCUMDRIR地址总线数据总线控制总线存储器CPU+1.2间址周期数据流MARCU地址总线数据总线控制总线存储器CPUMDRMDR.3执行周期数据流不同指令的执行周期数据流不同.4中断周期数据流PCMARCUMDR地址总线数据总线控制总线存储器CPU.8.3指令流水一、如何提高机器速度1提高访存速度高速芯片Cache多体并行2提高I/O和主机之间的传送速度中断DMA通道多总线I/O处理机3提高运算器速度高速芯片改进算法快速进位链提高整机处理能力高速器件改进系统结构，开发系统的并行性.二、系统的并行性1并行的概念并行并发同时两个或两个以上事件在同一时间段发生两个或两个以上事件在同一时刻发生时间上互相重叠2并行性的等级过程级（程序、进程）指令级（指令之间）粗粒度细粒度软件实现硬件实现.三、指令流水原理1指令的串行执行2指令的二级流水执行指令1取指令1取指令取指令部件完成执行指令执行指令部件完成总有一个部件空闲取指令1执行指令1执行指令2取指令2执行指令3取指令3指令预取若取指和执行阶段时间上完全重叠指令周期减半速度提高1倍执行指令3取指令3…执行指令2取指令2.3影响指令流水效率加倍的因素（1）执行时间>取指时间执行指令部件取指令部件执行部件缓冲区（2）条件转移指令对指令流水的影响必须等上条指令执行结束，才能确定下条指令的地址造成时间损失猜测法解决办法？.4指令的六级流水1234567891011121314指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令9tFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWO完成一条指令串行执行六级流水6个单位时间14个单位时间54单位时间.三、影响指令流水性能的因素1234567891011121314指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令9tFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWO1结构相关-访存冲突指令1与指令4冲突指令2与指令5冲突指令1、指令3、指令6冲突……解决办法指令存储器和数据存储器分开指令预取技术（适用于访存周期短的情况）.2数据相关几条相近的指令间，共用同一存储单元或同一寄存器时，会出现数据相关如：ADDR1,R2SUBR1,R3解决办法采用旁路技术寄存器组锁存器锁存器ALU.3控制相关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.3控制相关LDA#0LDX#0ADDX,DINXCPX#NBNEMDIV#NSTAANSBNE指令必须等CPX指令必须等才能判断出是转移还是顺序执行M.3控制相关1234567891011121314指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令15指令16tFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOFIDICOFIDIFIFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWO设指令3是转移指令转移损失.五、流水线结构1指令流水线结构完成一条指令分7段，每段需一个时钟周期修改指令指针部件回写结果部件操作执行部件取操作数部件地址形成部件指令译码部件取指令部件锁存锁存锁存锁存锁存锁存若流水线不出现断流不采用流水技术理想情况下，7级流水的速度是不采用流水技术的7倍1个时钟周期出1结果7个时钟周期出1结果.2运算流水线完成浮点加减运算可分对阶、尾数求和、规格化三段锁存器对阶功能部件第一段锁存器规格化部件第三段锁存器尾数加部件第二段分段原则每段操作时间尽量一致.8.4中断系统一、概述1引起中断的各种因素（1）人为设置的中断如转管指令转管指令管理程序………（2）程序性事故溢出、操作码不能识别、除法非法（3）硬件故障（4）I/O设备（5）外部事件用键盘中断现行程序.2中断系统需解决的问题（1）各中断源如何向CPU提出请求？（2）各中断源同时提出请求怎么办？（3）CPU什么条件、什么时间、以什么方式响应中断？（4）如何保护现场？（5）如何寻找入口地址？（6）如何恢复现场，如何返回？（7）处理中断的过程中又出现新的中断怎么办？硬件+软件.二、中断请求标记和中断判优逻辑1中断请求标记INTR一个请求源一个INTR中断请求标记触发器多个INTR组成中断请求标记寄存器12345n过热错内存读写校验掉电阶上溢非法除法键盘打印机INTR分散在各个中断源的接口电路中INTR集中在CPU

的中断系统内.2中断判优逻辑（1）硬件实现（排队器）②集中在CPU内①分散在各个中断源的接口电路中链式排队器参见第五章INTP1INTP2INTP3INTP4111&1&1&INTR1INTR2INTR3INTR4INTR1、INTR2、INTR3、INTR4

优先级按降序排列.（2）软件实现（程序查询）A、B、C

优先级按降序排列是否A

请求？是否B

请求？是否C

请求？否否否……是是是转A

的服务程序入口地址转B

的服务程序入口地址转C

的服务程序入口地址.三、中断服务程序入口地址的寻找1硬件向量法向量地址形成部件…………中断向量排队器输出向量地址12H、13H、14H入口地址200、300、400JMP200JMP300JMP40012H13H14H主存入口地址20012H13H14H入口地址300入口地址400主存.2软件查询法八个中断源1、2、……8按降序排列中断识别程序（入口地址M）地址指令说明……SKPDZ1#1#D=0跳（D为完成触发器）JMP1#SR1#D=1转1#服务程序SKPDZ2#JMP2#SR2#D=0跳2#D=1转2#服务程序SKPDZ8#JMP8#SR8#D=0跳8#D=1转8#服务程序M.四、中断响应1响应中断的条件2响应中断的时间允许中断触发器EINT=1指令执行周期结束时刻由CPU发查询时刻INTR1QDINTR2QDINTRnQD中断源1中断源2中断源n……至排队器中断查询CPU.3中断隐指令（1）保护程序断点断点存于特定地址（0号地址）内（2）寻找服务程序入口地址特定地址PC（硬件向量法）中断识别程序入口地址MPC（软件查询法）断点进栈.（3）硬件关中断INTQSREINTQSR1&向量地址形成部件…排队器…PCINT中断标记EINT允许中断R-S触发器.五、保护现场和恢复现场1保护现场断点寄存器内容中断隐指令完成中断服务程序

完成2恢复现场中断服务程序

完成中断服务程序保护现场PUSH其他服务程序视不同请求源而定恢复现场POP中断返回IRET.六、中断屏蔽技术1多重中断的概念2实现多重中断的条件（1）提前设置开中断指令（2）优先级别高

的中断源有权中断优先级别低的的中断源ABCD中断服务程序（A、B、C、D优先级按降序排列）主程序中断请求B,CDA.3屏蔽技术（1）屏蔽触发器的作用INTRDMASKQ1&DQCPU查询MASK=0（未屏蔽）INTR=1能被置“1”11111&&&INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR4INTR3INTR2MASK4MASK3MASK2MASK1MASKi=1（屏蔽）INTPi=0（不能被排队选中）.（2）屏蔽字16个中断源按1、2、3……16按降序排列优先级1234561516……屏蔽字11111111