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文檔簡介
1、第八章第八章 中央處理單元中央處理單元張向東計算機科學(xué)與技術(shù)系心臟心臟CPU作為一臺電腦中的核心,它的作用是無法替代的。作為一臺電腦中的核心,它的作用是無法替代的。結(jié)論:結(jié)論:而而CPU本身只是在塊硅晶片上所集成的超大規(guī)模的集成電路,本身只是在塊硅晶片上所集成的超大規(guī)模的集成電路,集成的晶體管數(shù)量可達到上億個,是由非常先進復(fù)雜的制造集成的晶體管數(shù)量可達到上億個,是由非常先進復(fù)雜的制造工藝制造出來的,擁有相當(dāng)高的科技含量。工藝制造出來的,擁有相當(dāng)高的科技含量。實質(zhì):實質(zhì):8.1.1 CPU的功能o取出指令并執(zhí)行指令的部件-CPU n數(shù)據(jù)加工 -ALU. 算術(shù)/邏輯運算; n指令控制:指令執(zhí)行的順
2、序控制; n操作控制: 產(chǎn)生各種操作信號; n時間控制: 控制操作信號的發(fā)生時間; 8.1.1 CPU 的功能的功能程序是一個指令序列,這些指令的相互順序不能任意顛倒,必須嚴格按照程序是一個指令序列,這些指令的相互順序不能任意顛倒,必須嚴格按照程序規(guī)定的順序執(zhí)行,故保證機器按照順序執(zhí)行程序時程序規(guī)定的順序執(zhí)行,故保證機器按照順序執(zhí)行程序時CPU的首要任務(wù)。的首要任務(wù)。1.指令控制指令控制取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令(發(fā)出各種操作命令)執(zhí)行指令(發(fā)出各種操作命令)2.操作控制操作控制操作信號操作信號CPU分析指令分析指令相應(yīng)部件相應(yīng)部件產(chǎn)生產(chǎn)生控制控制3.時間控制時間控制4.數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)
3、加工5.中斷處理中斷處理對各種操作順序及每一步操作順序都實施嚴格的控制。對各種操作順序及每一步操作順序都實施嚴格的控制。完成數(shù)據(jù)的加工處理是完成數(shù)據(jù)的加工處理是CPU的根本任務(wù)。的根本任務(wù)。8.1.2 CPU8.1.2 CPU的基本組成的基本組成寄存器寄存器ALU 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)CUCPU控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線2. 控制器(控制器(CU) (控制和協(xié)調(diào)各部件工作,具體功能如下)(控制和協(xié)調(diào)各部件工作,具體功能如下)1. 運算器(運算器(ALU)實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令從內(nèi)存中從內(nèi)存中提取指令提取指令
4、分析指令的分析指令的 操作類型及操作類型及操作數(shù)的來源操作數(shù)的來源發(fā)出控制發(fā)出控制信號序列信號序列CU產(chǎn)生全部指令的微操作命令序列產(chǎn)生全部指令的微操作命令序列組合邏輯設(shè)計:組合邏輯設(shè)計:硬連線邏輯硬連線邏輯微程序設(shè)計:微程序設(shè)計:存儲邏輯存儲邏輯 1. CPU 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)寄存器寄存器ALU 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)CUCPU控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線3. 中斷系統(tǒng)(用于處理種類中斷中斷系統(tǒng)(用于處理種類中斷 )處理與中斷相關(guān)的處理與中斷相關(guān)的等相關(guān)功能等相關(guān)功能中斷判優(yōu)中斷判優(yōu)中斷轉(zhuǎn)換中斷轉(zhuǎn)換中斷屏蔽中斷屏蔽中斷的作用是為了響應(yīng)和處理外部設(shè)備請求或異常事件。中斷的作用是為了響應(yīng)和
5、處理外部設(shè)備請求或異常事件。常識:常識:在在CPU內(nèi)部設(shè)置中斷系統(tǒng)用以解決各種中斷的共性問題;內(nèi)部設(shè)置中斷系統(tǒng)用以解決各種中斷的共性問題;功能功能寄存器寄存器ALU 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)CUCPU控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線 CPU 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)4.CPU 的寄存器的寄存器存放操作數(shù),存放操作數(shù),可作可作 某種尋址方式某種尋址方式 所需的所需的 專用寄存器。專用寄存器。(1) 通用寄存器:通用寄存器:存放操作數(shù)存放操作數(shù)(滿足各種數(shù)據(jù)類型)(滿足各種數(shù)據(jù)類型)(2) 數(shù)據(jù)寄存器:數(shù)據(jù)寄存器:存放地址存放地址,其位數(shù)應(yīng)滿足最大的地址范圍。,其位數(shù)應(yīng)滿足最大的地址范圍。用于特殊的尋址
6、方式用于特殊的尋址方式 段基值段基值 棧指針棧指針(3) 地址寄存器:地址寄存器:存放條件碼存放條件碼,可作程序分支的依據(jù),可作程序分支的依據(jù)(4) 條件碼寄存器:條件碼寄存器:(1)用戶可見寄存器)用戶可見寄存器寄存器寄存器ALU 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)CUCPU控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線 CPU 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)4.CPU 的寄存器的寄存器PCMARMMDRIRMAR MDR IR 用戶不可見用戶不可見 PC 用戶可見用戶可見 其中其中 狀態(tài)寄存器(反映程序的運行狀態(tài))狀態(tài)寄存器(反映程序的運行狀態(tài))狀態(tài)寄存器:狀態(tài)寄存器:存放條件碼存放條件碼PSW 寄存器:寄存器:存放程序狀態(tài)
7、字存放程序狀態(tài)字 控制寄存器(控制寄存器(CPU工作時所需的寄存器)工作時所需的寄存器)(控制(控制 CPU 操作)操作)(2)控制和狀態(tài)寄存器)控制和狀態(tài)寄存器2、CPU中運算器的主要寄存器oAR (Address Register)地址寄存器 oDR (Data Register)數(shù)據(jù)緩沖寄存器 oAC (Accumulate Count)累加寄存器 oPSW (Program Status Word)程序狀態(tài)字地址寄存器地址寄存器(ARAR) 地址寄存器AR用來保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址。由于在內(nèi)存和CPU之間存在著操作速度上的差別,所以必須使用地址寄存器來保持地址信息,直到對
8、內(nèi)存的讀/寫操作完成為止 。 當(dāng)CPU和內(nèi)存進行信息交換,即CPU向內(nèi)存存/取數(shù)據(jù)或指令時,都要使用地址寄存器AR和數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR。此外,我們可以把外圍I/O設(shè)備的設(shè)備地址作為像內(nèi)存的地址單元那樣來進行訪問,那么可知,當(dāng)CPU和外圍設(shè)備交換信息時,同樣需要使用地址寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 地址寄存器的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)緩沖寄存器、指令寄存器一樣,通常使用單純的寄存器結(jié)構(gòu)。信息的存入一般采用電位-脈沖方式,即電位輸入端對應(yīng)數(shù)據(jù)信息位,脈沖輸入端對應(yīng)控制信號,在控制信號clk的作用下,瞬時地將信息打入寄存器。CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 0042021222
9、3243040ALU指令譯碼器000 000程序計數(shù)器 PCAR地址寄存器 ARDR緩沖寄存器DRAC累加器 ACIR指令寄存器 IR操作控制器OC 時序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUSPSWPSWCPU存儲器數(shù)據(jù)緩沖寄存器(存儲器數(shù)據(jù)緩沖寄存器(DRDR)存儲器數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR用來暫時存放由內(nèi)存讀出的一條指令或一個數(shù)據(jù)字;反之,當(dāng)向內(nèi)存存入一條指令或一個數(shù)據(jù)字時,也先將它們送到存儲器數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR中,然后再寫入內(nèi)存。存儲器緩沖寄存器MDR的作用是 : (1)作為CPU和內(nèi)存及外部I/O設(shè)備之間信息傳送的中轉(zhuǎn)站; (2)用于補償CPU與內(nèi)存及外圍設(shè)備之間在操
10、作速度上的差別; (3)在單累加器結(jié)構(gòu)的運算器中,存儲器數(shù)據(jù)緩沖寄存器還可兼作為操作數(shù)寄存器。CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU指令譯碼器000 000程序計數(shù)器 PCAR地址寄存器 ARDR緩沖寄存器DRAC累加器 ACIR指令寄存器 IR操作控制器OC 時序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUSPSWPSWCPU累加寄存器累加寄存器(ACAC)累加寄存器AC通常簡稱為累加器,它是一個通用寄存器。其功能是:當(dāng)運算器需執(zhí)行算術(shù)或邏輯運算時,為ALU提供一個工作區(qū),它可暫時存放ALU運算的結(jié)果信息
11、。顯然,運算器中至少要有一個累加寄存器。目前CPU中的累加寄存器,多達16個,32個,甚至更多。當(dāng)使用多個累加器時,就變成通用寄存器堆結(jié)構(gòu),其中任何一個可存放源操作數(shù),也可存放結(jié)果操作數(shù)。在這種情況下,需要在指令格式中對寄存器號加以編址。CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU指令譯碼器000 000程序計數(shù)器 PCAR地址寄存器 ARDR緩沖寄存器DRAC累加器 ACIR指令寄存器 IR操作控制器OC 時序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUSPSWPSWCPU狀態(tài)條件寄存器狀態(tài)條件寄存器(PSWP
12、SW)狀態(tài)條件寄存器保存由算術(shù)指令和邏輯指令運行或測試的結(jié)果建立的各種條件碼內(nèi)容,如運算結(jié)果進位標志(C),運算結(jié)果溢出標志(V),運算結(jié)果為零標 志(Z),運算結(jié)果為負標志(N)等等。這些標志位通常分別由1位觸發(fā)器保存。除此之外,狀態(tài)條件寄存器還保存中斷和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息,因此,狀態(tài)條件寄存器是一個由各種狀態(tài)條件標志拼湊而成的寄存器。其作用是使CPU和系統(tǒng)能及時了解機器運行狀態(tài)和程序運行狀態(tài)。 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU指令譯碼器000 000程序計數(shù)器 PCAR地址寄存器 ARDR緩沖寄存器DRAC累
13、加器 ACIR指令寄存器 IR操作控制器OC 時序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUSPSWPSWCPU3、控制器基本組成oPC (Program Counter)程序計數(shù)器 oIR (Instruction Register)指令寄存器 oID (Instruction Decoder)指令譯碼器 oOC (Operate Controller)操作控制器 oTG (Timer Generator) 時序發(fā)生器程序計數(shù)器程序計數(shù)器(PCPC)為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去,為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去,CPUCPU必須具有某些手段必須具有某些手段來自動確定下一條指令的
14、地址。而程序計數(shù)器來自動確定下一條指令的地址。而程序計數(shù)器PCPC正是起到這正是起到這種作用的,所以種作用的,所以PCPC通常又稱為通常又稱為指令計數(shù)器指令計數(shù)器。 在程序開始執(zhí)行前,必須將該程序在內(nèi)存單元的起始地址,在程序開始執(zhí)行前,必須將該程序在內(nèi)存單元的起始地址,即第一條指令的地址送入即第一條指令的地址送入PCPC。當(dāng)執(zhí)行指令時,。當(dāng)執(zhí)行指令時,CPUCPU將自動修改將自動修改PCPC的內(nèi)容,使其保持的總是將下一條要執(zhí)行的指令的地址。的內(nèi)容,使其保持的總是將下一條要執(zhí)行的指令的地址。由于大多數(shù)指令都是按順序來執(zhí)行的,所以修改的過程通常由于大多數(shù)指令都是按順序來執(zhí)行的,所以修改的過程通常只
15、是簡單的對只是簡單的對PCPC自增即可。自增即可。當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令(如當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令(如JMPJMP指令)時,由于后繼指令的地址指令)時,由于后繼指令的地址(即(即PCPC的內(nèi)容的內(nèi)容) )必須從指令的地址段取得。在這種情況下,下必須從指令的地址段取得。在這種情況下,下一條指令的地址將由轉(zhuǎn)移指令來規(guī)定,而不是像通常一樣按一條指令的地址將由轉(zhuǎn)移指令來規(guī)定,而不是像通常一樣按順序來取得。因此程序計數(shù)器順序來取得。因此程序計數(shù)器PCPC的結(jié)構(gòu),應(yīng)當(dāng)是具有信息寄的結(jié)構(gòu),應(yīng)當(dāng)是具有信息寄存和計數(shù)兩種功能的結(jié)構(gòu)。存和計數(shù)兩種功能的結(jié)構(gòu)。CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000
16、 00420212223243040ALU指令譯碼器000 000程序計數(shù)器 PCAR地址寄存器 ARDR緩沖寄存器DRAC累加器 ACIR指令寄存器 IR操作控制器OC 時序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUSPSWPSWCPU指令寄存器指令寄存器(IRIR)指令寄存器IR用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時,先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中,然后再傳送至指令寄存器。 指令分為操作碼和地址碼字段,由二進制數(shù)字組成。為了執(zhí)行任何給定的指令,必須對操作碼進行測試,以便識別所要求的操作,指令譯碼器就是完成這項工作的。指令寄存器中的操作碼字段被送入指令譯碼器中,操作碼一
17、經(jīng)譯碼后,即可向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號。CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU指令譯碼器000 000程序計數(shù)器 PCAR地址寄存器 ARDR緩沖寄存器DRAC累加器 ACIR指令寄存器 IR操作控制器OC 時序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUSPSWPSWCPU操作控制器o根據(jù)指令操作碼和地址碼,產(chǎn)生各種控制信號序列 ,建立正確的數(shù)據(jù)通路,從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。 n硬布線控制器 (時序邏輯型) (硬件實現(xiàn)) n微程序控制器 (存儲程序型) (軟件實現(xiàn)) o數(shù)據(jù)通路-執(zhí)行部件
18、間傳送信息的通路。CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU指令譯碼器000 000程序計數(shù)器 PCAR地址寄存器 ARDR緩沖寄存器DRAC累加器 ACIR指令寄存器 IR操作控制器OC 時序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUSPSWPSWCPU時序產(chǎn)生器o產(chǎn)生各種時序信號(電位,脈沖); o對各種操作實施時間上的控制。 ALU4、運算器結(jié)構(gòu)PSWAXBXCXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YCLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 004 000
19、 00620212223243040CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 004 000 00620212223243040ALUADD AX,BXPSWAX=2BX=4CXDXDR左路開關(guān)選擇右路開關(guān)選擇數(shù)據(jù)總線DBUS移位器操作數(shù)X操作數(shù)YAX=6CPU基本結(jié)構(gòu)CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU指令譯碼器000 000程序計數(shù)器 PCAR地址寄存器 ARDR緩沖寄存器DRAC累加器 ACIR指令寄存器 IR操作控制器OC 時序產(chǎn)生器TG執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUSPSWP
20、SWCPUo指令周期基本概念 oCLA指令周期 oADD指令周期 oSTA指令周期 oNOP指令周期 oJMP指令周期8.2 指令周期1、 指令周期的基本概念指令周期的基本概念1.CPU周期:周期:CPU從內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時間。從內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時間。 即一條指令的取出階段被定義為一個即一條指令的取出階段被定義為一個CPU周期時間。周期時間。3.指令周期:指令周期:CPU取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間。取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間。 包括取指令周期和執(zhí)行指令周期。包括取指令周期和執(zhí)行指令周期。T1T2T3T42.時鐘周期:時鐘周期:CPU處理操作的最基本單位。一個處理
21、操作的最基本單位。一個CPU周期由若干個時鐘周期構(gòu)周期由若干個時鐘周期構(gòu)成。又被叫做成。又被叫做 T周期或節(jié)拍脈沖。周期或節(jié)拍脈沖。CPU周期周期T 周期周期機器周期機器周期 指令周期的基本概念指令周期的基本概念取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期(1)指令周期常用若干個)指令周期常用若干個CPU 周期來表示。周期來表示。(2)不同的指令其指令周期由于功能不同,所以是不相同的。)不同的指令其指令周期由于功能不同,所以是不相同的。注:注:指令周期指令周期CPU周期周期CPU周期周期CPU周期周期.時鐘周期時鐘周期1時鐘周期時鐘周期2時鐘周期時鐘周期N關(guān)系:
22、關(guān)系:指令周期 基本概念o 取指令周期 o 取操作數(shù)周期 (可無) o 執(zhí)行周期 取指令 PC+1執(zhí)行指令開始2、CLA 指 令 周 期取指令 PC+1指令譯碼執(zhí)行指令取下條 指令PC+1取指令階段執(zhí)行指令階段1個CPU周期1個CPU周期開始DRCLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALUAC000 020ARCLAIR指令譯碼器操作控制器 時序產(chǎn)生器程序計數(shù)器 PC地址寄存器 AR緩沖寄存器DR累加器 AC指令寄存器 IR執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUS000 020CLA000000000CLA 指 令0
23、00 021+1PCARABUSRAM DBUSDRIR PC+1執(zhí)行過程的操作oPCAR oPC+1PC oAR ABUSRAMDBUSDR oDRIR o0AC AC 3、ADD 指 令 周 期取指令 PC+1指令譯碼送操作數(shù)取下條 指令PC+1取指令階段1個CPU周期1個CPU周期開始送操作數(shù) 地址執(zhí)行指令階段1個CPU周期執(zhí)行 寫存操作CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU000 021000 020ADD 30CLA指令譯碼器操作控制器 時序產(chǎn)生器程序計數(shù)器 PC地址寄存器 AR緩沖寄存器DR累加器 A
24、C指令寄存器 IR執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUS000 021ADD 300000000003、ADD 指 令000 022+1PCARABUSRAM DBUSDRIR PC+1CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU000 021000 021ADD 30CLA指令譯碼器操作控制器 時序產(chǎn)生器程序計數(shù)器 PC地址寄存器 AR緩沖寄存器DR累加器 AC指令寄存器 IR執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUS000 030ADD 30000000000ADD 指 令000 022+1000
25、006IRARABUSRAM DBUSDRALU ALUAC006ADD執(zhí)行過程的操作oPCAR oPC+1PC oAR ABUSRAMDBUSDR oDRIR oIR(A)ARABUSRAM oDBUSDRALU oALUAC 4、STA 40 指 令 周 期取指令 PC+1指令譯碼送操作數(shù)取下條 指令PC+1取指令階段1個CPU周期1個CPU周期開始送操作數(shù) 地址執(zhí)行指令階段1個CPU周期執(zhí)行 寫存操作CLACLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU000 021000 030STA 40CLA指令譯碼器操作控制器 時
26、序產(chǎn)生器程序計數(shù)器 PC地址寄存器 AR緩沖寄存器DR累加器 AC指令寄存器 IR執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUS000 040STA 40STA 指 令000 023+1000 006000 006000 006IR(A)ARABUS ACDR DRDBUSRAM執(zhí)行過程的操作oPCAR oPC+1PC oAR ABUSRAMDBUSDR oDRIR oIR(A)ARABUS oACDR oDRDBUSRAM 5、NOP 指 令 周 期取指令 PC+1指令譯碼空操作 等待 一個周期取下條 指令PC+1取指令階段執(zhí)行指令階段1個CPU周期1個CPU周期開始6、JMP 21 指
27、令 周 期取指令 PC+1指令譯碼送 轉(zhuǎn)移地址取下條 指令PC+1取指令階段執(zhí)行指令階段1個CPU周期1個CPU周期開始CLAADD 30STA 40NOPJMP 21 000 006 000 00420212223243040ALU000 025000 024JMP 21CLA指令譯碼器操作控制器 時序產(chǎn)生器程序計數(shù)器 PC地址寄存器 AR緩沖寄存器DR累加器 AC指令寄存器 IR執(zhí)行指令控制地址總線 ABUS數(shù)據(jù)總線 DBUS000 021JMP 21JMP 21 指 令000 021+1000 006000 006000 022IR(A)PC執(zhí)行過程中的操作oPCAR oPC+1PC o
28、AR ABUSRAMDBUSDR oDRIR oIR(A)PC oNext command 五條指令的取指和執(zhí)行過程五條指令的取指和執(zhí)行過程 我們把前面的五條典型指令加以歸納,我們把前面的五條典型指令加以歸納,其取指和執(zhí)行過程請見其取指和執(zhí)行過程請見CAICAI演示演示。 8.3 數(shù)據(jù)流指令周期期間,嚴格的事件序列取決于中央處理器的設(shè)計,然而我們能以通常的方式取出什么事件必定發(fā)生。先假定一個中央處理器,它有存儲器地址寄存器(MAR)一個存儲器緩沖寄存器(MDR),一個程序計數(shù)器(PC),一個指令寄存器(IR)。在取指令周期期間,一條指令由存儲器讀入,圖8-6表示此期間的數(shù)據(jù)流動。開始時PC內(nèi)容
29、有待取的下一條指令的地址。這個地址被傳送到并放在地址總線上??刂破靼l(fā)生一次存儲讀,其結(jié)果放到數(shù)據(jù)總線上并被復(fù)制到MBR,然后傳送到IR。在此期間PC增1,為下次取指做好準備。 1. 1. 取指周期數(shù)據(jù)流取指周期數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲器存儲器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR+1 一旦經(jīng)歷取指周期,控制器檢查IR的內(nèi)容,以確定是否有一個使用間接尋址的操作數(shù)指定器。若是一個間址周期完成,如圖8-8所示,這是一個簡單周期。MDR最右的N位是一個地址引用,被傳送到MAR。然后,控制器發(fā)一個存儲器讀信號,得到所要求的操作數(shù)地址并送入MD
30、R。 像取指和間址周期一樣,中斷周期是可預(yù)期的。圖8-9。PC的當(dāng)前內(nèi)容必須保存,以便在中斷之后中央處理器能恢復(fù)正常的工作。于是,PC的內(nèi)容傳送到MBR,將被寫入存儲器。為此目的,一個專門的存儲器位置內(nèi)控制器裝入,例如它可能是一個堆棧指針。年三月中斷子程序的地址裝入PC。結(jié)果是,下一指令周期將以取此相應(yīng)的指令而開始。 間址周期數(shù)據(jù)流間址周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PCIR存儲器存儲器MDR執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流中斷周期數(shù)據(jù)流中斷周期數(shù)據(jù)流不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總
31、線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PC存儲器存儲器8.4 用指令流程圖表示指令周期 上述典型指令用指令流程圖描述方框圖表示0ACIR(A)ARIR(A)ARIR(A)PCARRAM ACDR DRDBUSCLAADDSTAJMPNOP取指令執(zhí)行指令下一條指令譯碼測試公操作PCARRAM DBUSDRIR PC+1ARRAM DBUSDR DRALU ALUAC公操作o一條指令執(zhí)行完后,CPU所進行的一些操作。 o對外設(shè)請求的處理(中斷,通道) o若無外設(shè)請求的處理,CPU則轉(zhuǎn)而取下條指令。 o由于取指令是每條指令都有的,所以,取指令也是公操作。例題1: 某計算機的數(shù)據(jù)通路如下圖所示,其中M主存, MB
32、R主存數(shù)據(jù)寄存器, MAR主存地址寄存器, R0-R3通用寄存器, IR指令寄存器, PC程序計數(shù)器(具有自增能力), C、D-暫存器, ALU算術(shù)邏輯單元(此處做加法器看待), 移位器左移、右移、直通傳送。所有雙向箭頭表示信息可以雙向傳送。 IRPCCDR0R1R2R3MBRMARM移位器ALU+1+1請按數(shù)據(jù)通路圖畫出“ADD(R1),(R2)+”指令的指令周期流程圖。該指令的含義是兩個數(shù)進行求和操作。其中源操作地址在寄存器R1中,目的操作數(shù)尋址方式為自增型寄存器間接尋址(先取地址后加1)。解:“ADD (R1),(R2)+”指令是SS型指令,兩個操作數(shù)均在主存中。其中源操作數(shù)地址在R1中
33、,所以是R1間接尋址。目的操作數(shù)地址在R2中,由R2間接尋址,但R2的內(nèi)容在取出操作數(shù)以后要加1進行修改。指令周期流程圖如圖所示:0IRPCCDR0R1R2R3MBRMARM移位器ALU+1+1PCMARMMBRIR,(PC)+1(R1) MARMMBRC(R2) MARMMBRD(C)+(D) MBRMBRM,(R2) D(D)+1R2譯碼取指令取源操作數(shù)取目的操作數(shù)加存回修改課堂練習(xí)與思考:課堂練習(xí)與思考:1、運行一條指令MOV(R0),R1,需經(jīng)過下述那幾個工作周期( )。(題型:多選) A. DMA周期 B.取指周期 C.執(zhí)行周期 D.源周期 B、C2、在指令周期的第一個CPU周期內(nèi),
34、CPU中地址寄存器內(nèi)容是( )。(題型:單選) A.指令 B.指令地址 C.數(shù)據(jù) D.數(shù)據(jù)地址B3、假設(shè)某機設(shè)置了取指周期,取數(shù)周期,執(zhí)行周期,中斷周期和DMA周期,那么一條指令從取指令開始到指令執(zhí)行完畢最多可能經(jīng)歷( ) (題型:多選) A. DMA周期 B.取指周期 C.取數(shù)周期 D.執(zhí)行周期 B、C、D課堂練習(xí)與思考:課堂練習(xí)與思考:4、 將指令周期劃分為幾個工作階段,每個工作階段所需時間稱為工作周期。下面有關(guān)工作周期的描述中正確的有( )。 (題型:多選) A.不同工作周期所占時間可以不同; B.不同指令的同一工作周期所需的時間可能不同; C.不同指令可以含有不同的幾個工作周期; D.
35、工作周期可以在多級時序系統(tǒng)中作為獨立的一級時序 A、C、D5、請說明指令周期、機器周期、時鐘周期之間的關(guān)系。 解答:指令周期是指取出并執(zhí)行一條指令的時間,指令周期常常用若干個CPU周期數(shù)來表示,CPU周期也稱為機器周期,而一個CPU周期又包含若干個時鐘周期(也稱為節(jié)拍脈沖或T周期)。 8.58.5時序信號產(chǎn)生器時序信號產(chǎn)生器 微程序控制器中使用的時序信號產(chǎn)生器由微程序控制器中使用的時序信號產(chǎn)生器由時鐘時鐘源源、環(huán)形脈沖發(fā)生器環(huán)形脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖和和讀寫時序譯碼邏讀寫時序譯碼邏輯輯、啟??刂七壿媶⑼?刂七壿嫷炔糠纸M成。等部分組成。 1. 1.時鐘源時鐘源時鐘源用來為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供
36、頻率穩(wěn)定、時鐘源用來為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定、且電平匹配的方波時鐘脈沖信號。它通常由石英晶且電平匹配的方波時鐘脈沖信號。它通常由石英晶體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成,其體振蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成,其輸出送至環(huán)形脈沖發(fā)生器。輸出送至環(huán)形脈沖發(fā)生器。1、電位-脈沖制o時序信號最基本的體制是電位-脈沖制。 o當(dāng)實現(xiàn)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送時,數(shù)據(jù)必須以電位形式加在觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端,而數(shù)據(jù)輸入的控制信號可選用脈沖。 o數(shù)據(jù)必須先送到觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端,并且表示數(shù)據(jù)的電位一定要保持在控制脈沖的作用下被觸發(fā)器記憶為止,這段時間較長,所以數(shù)據(jù)需要用電位表示。 o而輸入脈沖的時間寬度
37、只需要保證數(shù)據(jù)從觸發(fā)器的輸入端穩(wěn)定在輸出端的時間。 2、時序產(chǎn)生器 啟??刂七壿?啟動 節(jié)拍脈沖和讀 / 寫時序產(chǎn)生邏輯 脈沖發(fā)生器 時鐘源 停機 RD WE T 1 T 2 T 3 T 4 RD WE RD 0 WE 0 T 1 0 T 2 0 T 3 0 T 4 0 3、啟??刂七壿?T 1 Q D C r Q R 啟動 停機 CLR & T 4 & T 4 0 T 1 0 RD & RD 0 T 3 & T 3 0 WE & WE 0 T 2 & T 2 0 T 4 0 & & LDAR RD M LDDR LDIR PC+
38、1T1 T2 T3 T4 CPU周期 取指 執(zhí)行 CPU周期 時序圖狀態(tài)周期電位 節(jié)拍電位 節(jié)拍脈沖 8.68.6控制方式控制方式 控制方式: 即控制不同操作序列時序信號的方法。常用的有同步控制、異步控制、聯(lián)合控制三種方式,其實質(zhì)反映了時序信號的定時方式。 1.同步控制方式在任何情況下,已定的指令在執(zhí)行時所需的CPU周期(機器周期)數(shù)和時鐘周期數(shù)都固定不變。根據(jù)不同情況,同步控制方式可選取如下方案:(1)采用完全統(tǒng)一的機器周期執(zhí)行各種不同的指令。(2)采用不定長機器周期。(3)中央控制與局部控制結(jié)合。產(chǎn)生不同微操作命令序列所用的時序控制方式 同步控制方式任一微操作均由 統(tǒng)一基準時標 的時序信號
39、控制CLK機器周期機器周期機器周期(取指令)(取有效地址)(執(zhí)行指令)指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1) 采用 完全統(tǒng)一 的機器周期和節(jié)拍以最長的 微操作序列 和 最繁的微操作作為 標準(2) (2) 采用不同節(jié)拍的機器周期采用不同節(jié)拍的機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期(取指令)(取指令)(執(zhí)行指令)(執(zhí)行指令)指令周期指令周期T0T1T2T3T0T1T2 節(jié)拍節(jié)拍( (狀態(tài)狀態(tài)) )機器周期機器周期機器周期機器周期(取指令)(取指令)(執(zhí)行指令)(執(zhí)行指令)T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長延長(3) (3) 采用中央控制和局部控制相結(jié)合的方法采用中
40、央控制和局部控制相結(jié)合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍T*T*T*局部控制節(jié)拍局部控制節(jié)拍 T3T0T1中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍機器周期機器周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控制的節(jié)拍寬度與局部控制的節(jié)拍寬度與中央控制的節(jié)拍寬度一致中央控制的節(jié)拍寬度一致2.異步控制方式 其特點是:每條指令、每個操作控制信號需要多少時間就占用多少時間。這意味著每條指令的指令周期可由多少不等的機器周期數(shù)組成;也可以是當(dāng)控制器發(fā)出某一操作控制信號后,等待執(zhí)行部件完成操作后發(fā)“回答”信號,再開始新的操作。顯然,用這種方式形成的操作控制序列沒有固定的CPU
41、周期數(shù)(節(jié)拍電位)或嚴格的時鐘周期(節(jié)拍脈沖)與之同步。 3.3.聯(lián)合控制方式聯(lián)合控制方式 此為同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。 情況(1): 大部分操作序列安排在固定的機器周期中,對某些時間難以確定的操作則以執(zhí)行部件的“回答”信號作為本次操作的結(jié)束; 情況(2): 機器周期的節(jié)拍脈沖數(shù)固定,但是各條指令周期的機器周期數(shù)不固定。課堂練習(xí)與思考:課堂練習(xí)與思考:1、時序信號產(chǎn)生器提供機器所需的 時序信號,在硬聯(lián)線控制器中,時序信號采用 三級體制,在微程序控制器中,一般采用 二級體制。 定時主狀態(tài)-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖2、CPU 從主存取出一條指令并執(zhí)行該指令的時間叫 ,它通常包含
42、若干個 ,而后者又包含若干個 。 組成多級時序系統(tǒng)。 指令周期 機器周期 節(jié)拍 3、在寄存器寄存器型,寄存器存儲器型和存儲器存儲器型三類指令中,哪類指令的執(zhí)行時間最長?哪類指令的執(zhí)行時間最短?為什么? 解答:寄存器-寄存器型執(zhí)行速度最快,存儲器-存儲器型執(zhí)行速度最慢。因為前者操作數(shù)在寄存器中,后者操作數(shù)在存儲器中,而訪問一次存儲器所需的時間一般比訪問一次寄存器所需時間長。8.78.7中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)8.7.1 8.7.1 概述概述1. 1. 引起中斷的各種因素引起中斷的各種因素(1) (1) 人為設(shè)置的中斷人為設(shè)置的中斷(2) (2) 程序性事故程序性事故如如 轉(zhuǎn)管指令轉(zhuǎn)管指令溢出、操作碼不能
43、識別、除法非法溢出、操作碼不能識別、除法非法(5) (5) 外部事件外部事件(4) I/O (4) I/O 設(shè)備設(shè)備(3) (3) 硬件故障硬件故障用用 鍵盤中斷鍵盤中斷 現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序轉(zhuǎn)管指令轉(zhuǎn)管指令管理程序管理程序2. 2. 中斷系統(tǒng)需解決的問題中斷系統(tǒng)需解決的問題(1) (1) 各中斷源各中斷源 如何如何 向向 CPU CPU 提出請求提出請求 ?(2) (2) 各中斷源各中斷源 同時同時 提出提出 請求請求 怎么辦怎么辦 ?(5) (5) 如何如何 尋找入口地址尋找入口地址 ?(4) (4) 如何如何 保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場 ?(3) CPU (3) CPU 什么什么 條件條件、什么、什么
44、 時間時間、以什么、以什么 方式方式 響應(yīng)中斷響應(yīng)中斷 ?(6) (6) 如何如何 恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場,如何,如何 返回返回 ?(7) (7) 處理中斷的過程中又處理中斷的過程中又 出現(xiàn)新的中斷出現(xiàn)新的中斷 怎么辦怎么辦 ?硬件硬件 軟件軟件8.7.2 8.7.2 中斷請求標記和中斷判優(yōu)邏輯中斷請求標記和中斷判優(yōu)邏輯1. 1. 中斷請求標記中斷請求標記 INTRINTR一個請求源一個請求源 一個一個 INTRINTR 中斷請求標記觸發(fā)器中斷請求標記觸發(fā)器多個多個INTRINTR 組成組成 中斷請求標記寄存器中斷請求標記寄存器INTR INTR 分散分散 在各個中斷源的在各個中斷源的 接口電路中接
45、口電路中INTR INTR 集中集中 在在 CPU CPU 的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng) 內(nèi)內(nèi)1 12 23 34 45 5n n掉電掉電過熱過熱階上溢階上溢內(nèi)存讀寫校驗錯內(nèi)存讀寫校驗錯非法除法非法除法鍵盤鍵盤打印機打印機2. 2. 中斷判優(yōu)邏輯中斷判優(yōu)邏輯 分散分散 在各個中斷源的在各個中斷源的 接口電路中接口電路中 鏈式排隊器鏈式排隊器 集中集中 在在 CPU CPU 內(nèi)內(nèi)(1) (1) 硬件實現(xiàn)(排隊器)硬件實現(xiàn)(排隊器) 1 1 1 1 1 1 & & 1 1 & & 1 1 & &INTRINTR1 1INTRINTR2 2INTRINTR3
46、3INTRINTR4 4INTRINTR1 1 、 INTRINTR2 2 、 INTRINTR3 3 、 INTRINTR4 4 優(yōu)先級優(yōu)先級 按按 降序降序 排列排列INTPINTP1 1INTPINTP2 2INTPINTP3 3INTPINTP4 4A A、B B、C C 優(yōu)先級按優(yōu)先級按 降序降序 排列排列(2) (2) 軟件實現(xiàn)(程序查詢)軟件實現(xiàn)(程序查詢)否否是否是否A A請求?請求?是是 B B 請求?請求?是否是否C C請求?請求?轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) A A 的服務(wù)程序的服務(wù)程序入口地址入口地址轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) B B 的服務(wù)程序的服務(wù)程序入口地址入口地址轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) C C 的服務(wù)程序的服務(wù)程序入口地址入
47、口地址是是是是是是否否否否8.7.3 8.7.3 中斷服務(wù)程序入口地址的尋找中斷服務(wù)程序入口地址的尋找1. 1. 硬件向量法硬件向量法入口地址入口地址 200200入口地址入口地址 300300入口地址入口地址 40040012 H12 H13 H13 H14 H14 H主存主存12 H12 H13 H13 H14 H14 HJMPJMP 200 200JMPJMP 300 300JMPJMP 400 400主存主存向量地址向量地址形成部件形成部件中斷向量中斷向量排隊器輸出排隊器輸出向量地址向量地址 12H12H、13H13H、14H14H入口地址入口地址 200200、 300300、 40
48、04002. 2. 軟件查詢法軟件查詢法中斷識別程序中斷識別程序(入口地址(入口地址 M M)地地 址址說說 明明指指 令令 M M JMP 1 JMP 1# # SRSR1 1# # D = 1 D = 1 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)1 1# # 服務(wù)程序服務(wù)程序 SKP SKP DZ 2 DZ 2# # JMP 2 JMP 2# # SRSR2 2# # D = 0D = 0 跳跳2 2# # D = 1 D = 1 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)2 2# # 服務(wù)程序服務(wù)程序 SKP SKP DZ 8 DZ 8# # JMP 8 JMP 8# # SRSR8 8# # D = 0 D = 0 跳跳8 8# # D = 1 D = 1
49、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)8 8# # 服務(wù)程序服務(wù)程序八個中斷源八個中斷源 1 1、2 2、 8 8 按按 降序降序 排列排列 SKPSKP DZ 1 DZ 1# #1 1# # D = 0 D = 0 跳跳(D D為完成觸發(fā)器為完成觸發(fā)器)8.7.4 8.7.4 中斷響應(yīng)中斷響應(yīng)1. 1. 響應(yīng)中斷的響應(yīng)中斷的 條件條件允許中斷觸發(fā)器允許中斷觸發(fā)器 EINT = 1EINT = 12. 2. 響應(yīng)中斷的響應(yīng)中斷的 時間時間指令執(zhí)行周期結(jié)束時刻由指令執(zhí)行周期結(jié)束時刻由CPU CPU 發(fā)查詢信號發(fā)查詢信號 CPUCPU中斷查詢中斷查詢INTRINTR1 1D DQ QINTRINTR2 2D DQ QINTRINT
50、Rn nD DQ Q中斷源中斷源 1 1中斷源中斷源 2 2中斷源中斷源 n n至排隊器至排隊器3. 3. 中斷隱指令中斷隱指令(1) (1) 保護程序斷點保護程序斷點(2) (2) 尋找服務(wù)程序入口地址尋找服務(wù)程序入口地址(3) (3) 硬件硬件 關(guān)中斷關(guān)中斷向量地址向量地址形成部件形成部件INTINTS SQQR REINTEINTS SQQR RPCPC 1 1 & &11排隊器排隊器斷點存于斷點存于 特定地址特定地址( 0 0 號地址)號地址) 內(nèi)內(nèi)斷點斷點 進棧進棧INT INT 中斷標記中斷標記EINT EINT 允許中斷允許中斷R R S S 觸發(fā)器觸發(fā)器向量地址
51、向量地址PCPC(硬件向量法)(硬件向量法)M MPCPC中斷識別程序中斷識別程序 入口地址入口地址(軟件查詢法軟件查詢法)8.7.5 8.7.5 保護現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場保護現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場1. 1. 保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場2. 2. 恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場寄存器寄存器 內(nèi)容內(nèi)容斷點斷點保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場其他服務(wù)程序其他服務(wù)程序恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場中斷返回中斷返回PUSHPUSH視不同請求源而定視不同請求源而定POPPOP中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 完成完成中中斷斷服服務(wù)務(wù)程程序序中斷隱指令中斷隱指令 完成完成中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 完成完成IRETIRET1. 1. 多重中斷的概念多重中斷的概念k kl lmmk
52、k +1+1l l +1+1mm +1+1第一次第一次 中斷中斷第二次第二次 中斷中斷第三次第三次 中斷中斷程序斷點程序斷點 k k+1+1 , , l l+1+1 , , mm+1+18.7.6 8.7.6 中斷屏蔽技術(shù)中斷屏蔽技術(shù)2. 2. 實現(xiàn)多重中斷的條件實現(xiàn)多重中斷的條件B, CB, CA A中斷中斷請求請求主程序主程序(2) (2) 優(yōu)先級別高優(yōu)先級別高 的中斷源的中斷源 有權(quán)中斷優(yōu)先級別低有權(quán)中斷優(yōu)先級別低 的中斷源的中斷源(1) (1) 提前提前 設(shè)置設(shè)置 開中斷開中斷 指令指令A(yù) AB BC CD D中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序( A A、B B、 C C、 D D 優(yōu)先級按優(yōu)先
53、級按 降序降序 排列)排列)D D &3. 3. 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)(1) (1) 屏蔽觸發(fā)器的作用屏蔽觸發(fā)器的作用MASK = 0(未屏蔽未屏蔽)INTR 能被置能被置 “1” 1 & & & 1 1 1 1INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4MASK1MASK2MASK3MASK4DQ 1 DINTR MASKQCPU查詢查詢MASKi = 1 (屏蔽)(屏蔽)INTPi = 0 (不能被排隊選中)(不能被排隊選中)(1) (1) 斷點進棧斷點進棧(2) (2) 斷點存入斷點存入“ 0 0 ” 地址地址中斷隱指令中斷
54、隱指令 完成完成中斷周期中斷周期命令存儲器寫命令存儲器寫0 MAR0 MARPC MDRPC MDR(MDR) (MDR) 存入存儲器存入存儲器三次中斷,三個斷點都存入三次中斷,三個斷點都存入 “ 0 0 ” 地址地址4. 4. 多重中斷的斷點保護多重中斷的斷點保護斷點斷點 MDRMDR?如何保證斷點不丟失?如何保證斷點不丟失?中斷隱指令中斷隱指令 完成完成(3) (3) 程序斷點存入程序斷點存入 “ 0 0 ” 地址的斷點保護地址的斷點保護 05JMP SERVE SAVE RETURNSTA SAVE0 0 地址內(nèi)容轉(zhuǎn)存地址內(nèi)容轉(zhuǎn)存其他服務(wù)內(nèi)容其他服務(wù)內(nèi)容地地 址址內(nèi)內(nèi) 容容說說 明明SERVELDA SAVEJMP RETURN存程序斷點存程序斷點5 5 為向量地址為向量地址保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場恢復(fù)現(xiàn)場間址返回間址返回存放存放 ACC ACC 內(nèi)容內(nèi)容轉(zhuǎn)存轉(zhuǎn)存 0 0 地址內(nèi)容地址內(nèi)容開中斷開中斷ENILDA 0STA RETURN置屏蔽字置屏蔽字8.8 流水線處理器-流水線原理1.時間并行 把任務(wù)分成若干子任務(wù),使子任務(wù)在流水線的各階段并發(fā)地執(zhí)行。-時間
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