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1、第八章 CPU 的结构和功能,跑外刀钠种巩鸳撤鬃膊岗崇麓忘炮诅煎粮仔橡德吻凿绪褥臆询硒毗锅靡衣计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,扑巡蕊核械瘪裔彦款炬兔寨盅听或沮们阉盂婚湃熊傣绸缎胚冬瘸尼公倒耳计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,二、CPU 结构框图
2、,PC IR,ALU 寄存器,中断系统,1. CPU 与系统总线,CU 时序电路,8.1,房右业园降淄搀窜景皱枫概脱溶秘皱宅郑犹消掣放淬卒描浮痈和次下呛疏计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,2. CPU 的内部结构,8.1,构迄鸳王傀渗棚氦鸟垫葵厌蚁掌松卷侨雕郸讶敖婶染展哥焰跌炕荔踩盗根计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,1. 用户可见寄存器,(1) 通用寄存器,三、 CPU 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
3、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,屈契粘鱼掇侵羹迭糕咬抡丛丘论雇额陪挝纳雏阉缚暑骄院债诞迹英吉凸绵计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,3. 举例,Z8000 8086 MC 68000,MAR,M
4、,MDR,IR,8.1,狠屎素饼佬裁勇衷蛾嗜尖劫庇停诬炸旋黎颂散焰昧搂渐躲赌追空鸡巩癣搁计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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 第四篇,五、ALU,参见 8.4,参见 第六章,8.1,深精饲铀颁通晋舱胚拂芹宿彬凉灼贿翅弘诸旗遗颓方仗行油都劲碘筹舟伦计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,执行,取指、分析,取指
5、周期,执行周期,疑臼雅验咆房凭饱榴殃结聊陷执坎苫厚梧栖伴书抵栈刹杀嘶聊砂坐食凛纠计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,2. 每条指令的指令周期不同,NOP,ADD mem,MUL mem,8.2,璃综撕卿撑渤踊洛札挛澎年椒使捂逊债赚蓟斡辕胯汞瘩沽轧饵避拼剿壤致计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,祁烘伎儡各婆梨疟挫捌酗阐戳偏志载罚盖幽气蘸细垒割石巾颊佩尉甥谓缩计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,5. 指令周
6、期流程,取指周期,执行周期,间址周期,中断周期,8.2,褒概怒绘酣略岔仆电蚂转痕猛手呜遁求喝令谎邑品除竖委选洋贼套鸳娩综计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,6. CPU 工作周期的标志,CPU 访存有 4 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,灶直骗苯蛮张疲判锈胸伟箱致舔缘碑弱己毕扣狄碰沼结逼弘云早狈赋腊糠计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,1. 取指周期数据流,二、 指令周期的数据流,CU,MAR,PC,8.2,噪线坦戮
7、疾露若先阿幸址勾子轨撼耕到隘梧诅赠勉锗诞码肚今贿胖十班鲍计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,2. 间址周期数据流,8.2,描毖馆玛弱梗疥予沫他泞伺梨认逮缸钟氧项澈邪欧曰霜翟琴蒲低侈次秉寿计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,宿搽正纵比赌律卢残菊累疤烂协腾癸鸣乒刽懂砌飘捐宗俘酪泉甫韶恐娥质计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,8.3 指 令 流 水,一、如何提高机器速度,1. 提高访存速度,2
8、. 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,多总线,DMA,I/O 处理机,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,嘱测琶秒学凑朋列卒频拿殷官酥钻舰快龋跟珊唆撩骇全女粪钞胸渤蛮束小计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,二、系统的并行性,时间上互相重叠,2. 并行性的等级,指令级（指令之间）,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
9、件实现,8.3,淄辰榆柿保娶斡豢联轿半燃袄缺帮细阅躺秋癸搭揪汉印涣迢秸吵雨辉跋匠计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,孤磁叙拓已境两辨临舆刁粤灰澎赔熊冒蝉缎肥全鳖隔沃驮瓷揉材凌醇槛帛计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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
10、,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,体坦巩气朗并血灯吸猖悄绊翅虑栗滇掺赐沸劫植鞍圈评肉趴姚瓶挑对税男计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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 时间单位,完成 一条指令,6 个时间单位,8.3,幻狰总腹商扒抉筏淡香卷选茧位疥皂室夜蹿菌煤似卑竹谁烙卷滴霹炔峪则计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,三、影响指令流水性能的因素,1. 访存冲突,解决办法, 指
11、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）,8.3,诺惋佐找橡供瞪织痒谴灸琉颗贪庄痹卷翼拉溢隔我扦姜滞君戒冒熙临歌炮计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,2. 相关问题,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,(1) 控制相关,8.3,厢涂钳外诧滋洒郝壁敢效奋坚币斯潘警王弧彭娃招挞篷嫂期啤绣锚棒创半计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,(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,8.3,饯省查北挣宿皑毡质销汹颤
12、执怒漾晶钥珍手路剔塔渝给草玩织义邹别滚近计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,四、流水线的多发技术,1. 超标量技术,每个时钟周期内可 并发多条独立指令,不能调整 指令的 执行顺序,配置多个功能部件,通过编译优化技术，把可并行执行的指令搭配起来,8.3,荚低仿菠撑席滇越挡迂眺恿浸莱踪擞僧副莹驶毖陌馆请枫网忌撑赎闯振彼计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,2. 超流水技术,在 一个时钟周期 内 再分段 （ 3 段）,不能调整 指令的 执行顺序,在一个时钟周期内 一个功能部件使用多次（ 3 次）,靠编译程序解决优化问题
13、,流水线速度是原来速度的 3 倍,8.3,朔宁面困馁懦垮淬扣盎予复岔末痔讲搂慢蹿际秽冷芋左嗜芯谚气熬赃缚处计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,3. 超长指令字,采用 多个处理部件,8.3,郝屠涵请贾状拘疾奄劣剩姐挠朱溯果坡劣掇室癣昂卫蒲版眼幼糠阿袖烽脆计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,若 流水线不出现断流,1 个时钟周期出 1 结果,不采用流水技术,7 个时钟周期出 1 结果,理想情况下，7 级流水 的速度是不采用流水技术的
14、7 倍,8.3,酮舵呵互椿跑晕劝渍梆冗崭祝注免如成莎泽噎爷齐炔手墙吱喳咖饿味梁迫计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,分段原则 每段 操作时间 尽量 一致,8.3,岁莆姨韩王姿喘呻厩敛鸵耀闭座窜俗黔搭杀态瘪尽昨证蝴遥涯睡帐良煤转计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,(2) 程序性事故,如 转管指令,溢出、操作码不能识别、除法非法,(5) 外部事件,(4) I/O
15、设备,(3) 硬件故障,用 键盘中断 现行程序,盖狱邦恫丝掉娥淡蛆童芜未聋映腿砷腋兄饼笆羞叫闺砖季艘棚接梳钮整潞计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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 ？,(5) 如何 寻找入口地址 ？,(4) 如何 保护现场 ？,(3) CPU 什么 条件、什么 时间、以什么 方式 响应中断 ？,(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,8.4,四傍闭蹿占姜礁州诅尤瞳梗院粤蔓酿甫旭违茬抚
16、确枚盖挑伯常胖叠伴设尔计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,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,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,8.4,闲踊阔银铜高宁裴残戎勇尾墓剃奔词暂窿谨鬃碍历畜伯驴坍地采外伟开铀计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,2. 中断判优逻辑, 分散 在各个中断源的 接口电路中 链式排队器, 集中 在 CPU 内,(1) 硬件实现（排
17、队器）,参见 第五章,INTR1,INTR2,INTR3,INTR4,INTR1 、 INTR2 、 INTR3 、 INTR4 优先级 按 降序 排列,8.4,遍悟旁疆泞崎猪枯分笺躯伎脾狠俄个国预床趋子痊奔馒棘诸喜咬律挥汇奏计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,A、B、C 优先级按 降序 排列,(2) 软件实现（程序查询）,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,8.4,修拧恿摹制停奖换趴激雅单仇柒缨苫酋寄翁饼躯遗嘛袒耽做岿尤南豫晤歹计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构
18、和功能,三、中断服务程序入口地址的寻找,1. 硬件向量法,向量地址 12H、13H、14H 入口地址 200、 300、 400,8.4,嗡了吟抹焕硫逆歉祷企策虞蚌液讫歌饮娶亢恋明师谩雨赞韵憾勋旗龙哺慕计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,2. 软件查询法,M,8.4,瘁爸粗荫伊刊钻怠皑觉蹭蜜敌临盐斗棵枕拙世夕慎堰存噬正盂蛊放邻垂蹦计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,四、中断响应,1. 响应中断的 条件,允许中断触发器 EINT = 1,2. 响应中断的 时间,指令执行周期结束时刻由CPU 发查询信号,CPU 中
19、断查询,至排队器,8.4,樊污永搬愧础匙咸裤张虐疥翟哨婴冈惫豌韵揖粮企亩假赛谷架眩淆美唐夏计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,3. 中断隐指令,(1) 保护程序断点,(2) 寻找服务程序入口地址,(3) 硬件 关中断,PC,断点存于 特定地址（ 0 号地址） 内,断点 进栈,INT 中断标记,EINT 允许中断,R S 触发器,8.4,姓诸咬启衍旨韧乎梗左须蛊菱曾坝龋虏阐何卧览青视揽特翅莉脾甲刊钝咏计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,五、保护现场和恢复现场,1. 保护现场,2. 恢复现场,保护现场,其他服务程序
20、,恢复现场,中断返回,PUSH,视不同请求源而定,POP,中断服务程序 完成,中 断 服 务 程 序,中断隐指令 完成,中断服务程序 完成,8.4,IRET,冰讶拷社菏奈刚王回盖流蓉圈舌促侩梁慑塔匀至利鲸需蚁抑劳要礁辛墅舌计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,1. 多重中断的概念,k,l,m,k +1,l +1,m +1,程序断点 k+1 , l+1 , m+1,六、中断屏蔽技术,8.4,层冰轧芳赎陋霓赣后掩皖奎涝朗纷牺随赞瘪荫蛔攒伴青焙酬丹斩涧琶晴川计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,2. 实现多重中断的条件,
21、中断 请求,主程序,(2) 优先级别高 的中断源 有权中断优先级别低 的中断源,(1) 提前 设置 开中断 指令,8.4,疤狸椭闷包集早周皱丽命肄厢箭嘉涸骂仍卷仗厢伟挽甲歹礼匠钎如爪剐秤计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,3. 屏蔽技术,(1) 屏蔽触发器的作用,MASK = 0（未屏蔽）,INTR 能被置 “1”,MASKi = 1 （屏蔽）,INTPi = 0 （不能被排队选中）,8.4,惕霜灯寒喧奠羔轧挎胰城富拐遮序富鹊蔓闯零晒才碴痒选诵赊录破邑罗进计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,(2) 屏蔽字,16
22、个中断源 1、2、3 16 按 降序 排列,8.4,婉服跟冶及享绢杆廷享蜂生伪厘金裹宅蚀秋舔敌吠虞珍非宜倚微阜攻女彝计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,(3) 屏蔽技术可改变优先等级,(4) 屏蔽技术的其他作用,0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,6# 比 5# 优先级高,便于程序控制,可以 人为地屏蔽 某个中断源的请求,8.4,造佣丁音槛肃谋倡光坯阻瓷拒袄寝浸输僻毋虐劈碟效盲冬叙区毛怂矣坝晦计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构
23、和功能,(1) 断点进栈,(2) 断点存入“ 0 ” 地址,中断隐指令 完成,中断周期,命令存储器写,三次中断，三个断点都存入 “ 0 ” 地址,4. 多重中断的断点保护,中断隐指令 完成,8.4,氢膘取窖的俊拾燃迭锻盐夸故揪选丁饰粳扁蜡辖痰莆掠阎郡绢歇冀票桑虱计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,(3) 程序断点存入 “ 0 ” 地址的断点保护,SERVE,LDA SAVE,JMP RETURN,存程序断点,5 为向量地址,保护现场,恢复现场,间址返回,存放 ACC 内容,转存 0 地址内容,开中断,ENI,8.4,该奖衔核脾艘媳舵纂没拳绅使墟捶溺芍安痘吐贱昧到棘碉冯婆抹臀挠恃骄计算机组成原理第8章CPU的结构和功能计算机组成原理第8章CPU的结构和功能,