第8章CPU的结构和功能.ppt
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1、2019/6/4,1,第章 CPU 的结构和功能,2019/6/4,2,8.1 CPU 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,2019/6/4,3,二、CPU 结构框图,PC IR,ALU 寄存器,中断系统,1. CPU 与系统总线,CU 时序电路,8.1,2019/6/4,4,2. CPU 的内部结构,8.1,2019/6/4,5,1. 用户可见寄存器,(1) 通用寄存器,三、 CP
2、U 的寄存器,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,8.1,2019/6/4,6,2. 控制和状态寄存器,(1) 控制寄存器,PC,控制 CPU 操作,(2) 状态寄存器,状态寄存器,其中 MAR、MDR、IR 用户不可见,存放条件码,PSW 寄存器,存放程序状态字,PC 用户可见,MAR,M,MDR,IR,8.1,2019
3、/6/4,7,3. 举例,(1)Z8000 16个16位通用寄存器,其中有两个被用作栈指针。有5个与程序状态有关的寄存器。,8.1,(2)8086 14个16位的寄存器。,(3)MC 68000 8个数据寄存器(可进行8位、16位和32位数据运算) 9个地址寄存器(32位,其中两个可用作堆栈指针) 1个PC(32位)和1个状态寄存器(16位 ),2019/6/4,8,四、 控制单元 CU 和中断系统,1. CU 产生全部指令的微操作命令序列,2. 中断系统,参见 第篇,五、ALU,参见 8.4 节,参见 第章,8.1,2019/6/4,9,8.2 指 令 周 期,一、 指令周期的基本概念,1
4、. 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,执行,取指、分析,取指周期,执行周期,2019/6/4,10,2. 每条指令的指令周期不同,NOP,ADD mem,MUL mem,8.2,2019/6/4,11,3. 具有间接寻址的指令周期,4. 带有中断周期的指令周期,8.2,2019/6/4,12,5. 指令周期流程,取指周期,执行周期,间址周期,中断周期,8.2,2019/6/4,13,6. CPU 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,取指周期,间址周期,执行周期,中断周期,CPU 的 4个工作周期,8.2,2019/6/4
5、,14,1. 取指周期数据流,二、 指令周期的数据流,CU,MAR,PC,8.2,2019/6/4,15,2. 间址周期数据流,8.2,2019/6/4,16,3. 执行周期数据流,4 . 中断周期数据流,不同指令的执行周期数据流不同,8.2,2019/6/4,17,8.3 指 令 流 水,一、如何提高机器速度,1. 提高访存速度,2. 提高 I/O 和主机之间的传送速度,提高整机处理能力,高速芯片,Cache,多体并行,I/O 处理机,DMA,多总线,通道,高速器件,改进系统结构 ,开发系统的并行性,中断,3. 提高运算器速度,高速芯片,改进算法,快速进位链,2019/6/4,18,二、系统
6、的并行性,时间上互相重叠,2. 并行性的等级,指令级(指令之间) (指令内部),过程级(程序、进程),两个或两个以上事件在 同一时刻 发生,两个或两个以上事件在 同一时间段 发生,并行,1. 并行的概念,粗粒度,软件实现,细粒度,硬件实现,8.3,2019/6/4,19,三、指令流水原理,2. 指令的二级流水,1. 指令的串行执行,取指令 取指令部件 完成,总有一个部件 空闲,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 执行指令部件 完成,8.3,2019/6/4,20,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,
7、3. 影响指令流水效率加倍的因素,(1) 执行时间 取指时间,(2) 条件转移指令 对指令流水的影响,解决办法 ?,猜测法,8.3,2019/6/4,21,4. 指令的六级流水,六级流水,14 个时间单位,串行执行,6 9 54 个时间单位,完成 一条指令,6 个时间单位,8.3,2019/6/4,22,三、影响指令流水线性能的因素,1. 结构相关,8.3,不同指令争用同一功能部件产生资源冲突,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,解决办法, 停顿, 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),2019/6/4,23,2. 数据相关,不
8、同指令因重叠操作,可能改变操作数的 读/写 访问顺序,采用 旁路技术,解决RAW办法,8.3,写后读相关(RAW),读后写相关(WAR),写后写相关(WAW),后推法,2019/6/4,24,3. 控制相关,8.3,由转移指令引起,2019/6/4,25,3. 控制相关,8.3,2019/6/4,26,四、流水线性能,1. 吞吐率,单位时间内 流水线所完成指令 或 输出结果 的 数量,8.3,最大吞吐率,实际吞吐率,连续处理 n 条指令的吞吐率为,2019/6/4,27,2. 加速比 Sp,8.3,m 段的 流水线的速度 与等功能的 非流水线的速度 之比,2019/6/4,28,由于流水线有
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