第八九十章-CPU02-指令流程

CPU史葦杭辦公室：306辦公電話子郵件：shiwh@《計算機組成原理》系統(tǒng)總線存儲器運算器控制器接口與通信輸入/輸出設(shè)備Cache第八章CPU的結(jié)構(gòu)與功能（最難）（含第八章+第四篇）8.1 CPU的基本功能與組成（8.1）8.2 時序系統(tǒng)和控制方式（8.28.39）8.3 組合邏輯設(shè)計（10）8.4微程序設(shè)計（10）第八章CPU的結(jié)構(gòu)與功能8.2、時序系統(tǒng)和控制方式8.2.1時序系統(tǒng)（指令周期、CPU周期、時鐘周期）8.2.2指令流程8.2.3指令流水8.2.4

時序控制組合邏輯控制器的設(shè)計步驟（前三步驟）步驟一擬定指令系統(tǒng)（邏輯依據(jù)，講過了）步驟二確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排，講過了）步驟三擬定時序系統(tǒng)（時間安排，講過了）步驟四擬定指令流程圖（合并了步驟一、步驟三）組合邏輯控制器的設(shè)計步驟（前三步驟非常重要）步驟一擬定指令系統(tǒng)（給出硬部件設(shè)計的邏輯依據(jù)）步驟二確定總體結(jié)構(gòu)（空間安排：設(shè)置哪些部件，確定數(shù)據(jù)通路）步驟三擬定時序系統(tǒng)（時間安排）選定時序系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)各部件工作的手段（周期–節(jié)拍–脈沖）即把一條指令的執(zhí)行過程分為若干個階段，一個階段為一個周期一個階段一個名字（取指周期，源周期，目的周期，執(zhí)行周期等）步驟四擬定指令流程圖（合并了步驟一、步驟三）將一條指令的執(zhí)行步驟按時間順序用流程圖形式表示出來（它是采用時序計數(shù)器設(shè)計控制器的關(guān)鍵一步）步驟五編制操作時間表（以步驟二、步驟四為基礎(chǔ)）

將指令流程中規(guī)定的操作落實到由哪個部件完成，在什么時間完成步驟六微操作的組合與化簡根據(jù)操作時間表，將產(chǎn)生同一微操作的條件用“或”連接組合成原始表達(dá)式，利用邏輯化簡，獲得最簡單的邏輯表達(dá)式。步驟七設(shè)計邏輯電路圖（結(jié)合現(xiàn)有的元件，適當(dāng)變換邏輯表達(dá)式。）Review:控制器重在理解1、非訪存指令

CLA的指令周期：兩個CPU周期。指令功能：累加器清零操作。8.2.2指令流程——分析舉例操作碼譯碼1）程序計數(shù)器PC的內(nèi)容“20”送入地址寄存器MAR；2）程序計數(shù)器PC的內(nèi)容+1，為取下一條指令做準(zhǔn)備；3）地址寄存器MAR的內(nèi)容，送到地址總線ABus上；4）存儲單元20中的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線DBus送數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR；5）數(shù)據(jù)緩沖寄存器MDR的內(nèi)容，送到指令寄存器IR；6）指令寄存器中的操作碼被譯碼或測試；7）CPU識別出是CLA指令。2←20+11345CLA第一個CPU周期：取指令、操作碼譯碼假設(shè)程序計數(shù)器PC內(nèi)容為“20”0002067操作碼譯碼器第二個CPU周期：執(zhí)行指令1）操作控制器送一控制信號給ALU；2）ALU響應(yīng)控制信號，對AC清零。操作碼譯碼器2、直接訪存指令

ADD的指令周期：三個CPU周期。

指令功能：兩個操作數(shù)相加，運算結(jié)果放累加器一個操作數(shù)直接尋址、一個操作數(shù)隱含尋址。操作碼譯碼8.2.2指令流程——分析舉例第一個CPU周期：取指令，操作碼譯碼（同CLA）2←21+11345ADD300002167操作碼譯碼器第二個CPU周期：送操作數(shù)地址1）把指令寄存器中的地址碼部分(30)送入地址寄存器00030操作碼譯碼器第三個CPU周期：取操作數(shù)，執(zhí)行指令1）從內(nèi)存中讀取操作數(shù)，送入數(shù)據(jù)緩沖寄存器；2）操作數(shù)與累加器相加后存入累加器。00030000006000006000000000006操作碼譯碼器3、存數(shù)指令

STA的指令周期：三個CPU周期。指令功能：向內(nèi)存單元，寫入一操作數(shù)。操作碼譯碼8.2.2指令流程——分析舉例第一個CPU周期：取指令，操作碼譯碼2←22+11345STA400002267操作碼譯碼器第二個CPU周期：送操作數(shù)地址00040操作碼譯碼器00040000006第三個CPU周期：送操作數(shù)，執(zhí)行寫操作累加寄存器的內(nèi)容，先送入數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再寫入到所選定的存儲單元(40)中。操作碼譯碼器4、空操作指令

NOP的指令周期：兩個CPU周期。指令功能：控制器不發(fā)出任何控制信號。操作碼譯碼8.2.2指令流程——分析舉例第一個CPU周期：取指令，操作碼譯碼2←23+11345NOP0002367操作碼譯碼器第二個CPU周期：執(zhí)行指令（沒有任何操作）操作碼譯碼器5、轉(zhuǎn)移指令

JMP的指令周期：兩個CPU周期。

第一個CPU周期：取指令第二個CPU周期：指令中地址碼送程序計數(shù)器，代替原先的內(nèi)容作為下一條指令的地址。從而改變了原先的程序順序。8.2.2指令流程——分析舉例第一個CPU周期：取指令，操作碼譯碼2←24+11345JMP210002467操作碼譯碼器第二個CPU周期：執(zhí)行指令將指令的地址碼部分21送到程序計數(shù)器，改變了原先執(zhí)行順序00021操作碼譯碼器方框代表一個CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的某種控制操作。菱形通常用來表示某種判別或測試，不單獨占用一個CPU周期。8.2.2指令流程–方框圖表示采用方框圖語言來表示一條指令的指令周期。五條指令序列：第一個CPU周期：取指令，每條指令都相同；CLA，JMP，NOP：兩個CPU周期；ADD，STA：三個CPU周期ABUS：地址總線DBUS：數(shù)據(jù)總線AC：累加器PC：程序計數(shù)器IR：指令寄存器AR：地址寄存器DR：數(shù)據(jù)緩沖寄存器取指周期FE執(zhí)行周期EX有間址嗎？有中斷嗎？間址周期IND中斷周期INT是是否否8.2.2指令流程一條指令完整的指令周期包括：取指周期FE（必有）間址周期IND

執(zhí)行周期EX（必有）中斷周期INT取指周期：取出并分析指令。間址周期：取操作數(shù)有效地址。執(zhí)行周期：取操作數(shù)并執(zhí)行指令。中斷周期：CPU響應(yīng)中斷。例如：設(shè)CPU內(nèi)有下列部件：PC,IR,SP,AC,MAR,MDR和CU（控制單元）

要求：1）寫出完成間址尋址的取數(shù)指令LDA@X的信息流。

（將某主存單元的內(nèi)容取至AC中）解：1）取指周期：PC送MAR送地址總線

PC+1送PCCU發(fā)讀內(nèi)存命令數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線送MDR送IR//指令送入IR

指令操作碼部分OP(IR)送CU

2）間址周期：指令地址碼部分送MAR送地址總線

CU發(fā)讀內(nèi)存命令數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線送MDR//操作數(shù)地址送入MDR3）執(zhí)行周期：MDR送MAR送地址總線

CU發(fā)讀內(nèi)存命令數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線送MDR送AC//操作數(shù)送入AC8.2.2指令流程例如：設(shè)CPU內(nèi)有下列部件：PC,IR,SP,AC,MAR,MDR和CU（控制單元）

要求：2）寫出中斷周期的信息流。解：2）在中斷周期內(nèi)需將程序斷點（在PC中）保存起來，通常把斷點存入堆棧。（假設(shè)進棧操作是先修改堆棧指針，后存入數(shù)據(jù)）

CU發(fā)修改堆棧指針命令

(SP)–1送SP,送MAR送地址總線

PC送MDRCU發(fā)寫內(nèi)存命令，MDR送數(shù)據(jù)總線寫入存儲單元

CU送新程序地址給PC

SP

SP斷點SP8.2.2指令流程斷點PC新地址PC1、取指周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲器CPU地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線IR+18.2.2指令流程2、間址周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線PCIR存儲器MDR8.2.2指令流程3、執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流（不同的指令的數(shù)據(jù)流不同）4、中斷周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線PC存儲器8.2.2指令流程保存PC中的中斷地址后，再送新地址給PC8.2.2指令流程–控制信號PCIRACCU時鐘ALU………控制信號標(biāo)志控制信號C0C1C2C3C4取指周期例：ADD@X取指周期的控制信號發(fā)送順序：C0、C1、讀、C2、C3、C4PCIRCU1、CPU內(nèi)部不采用總線的方式PCPCPCMDRMARMDRMARPCIRACCU時鐘ALU………控制信號標(biāo)志控制信號MDRMARC1C2C3C5例：ADD@X間址周期的控制信號發(fā)送順序：C5、C1、讀、C2、C3IRMDRMDRMAR1、CPU內(nèi)部不采用總線的方式8.2.2指令流程–控制信號PCIRACCU時鐘ALU………控制信號標(biāo)志控制信號

MDR

MARC1C2C5例：ADD@X執(zhí)行周期的控制信號發(fā)送順序：C5、C1、讀、C2、C67、加、C8C7C6C8ACALU…控制信號

MDR

MAR

MDR1、CPU內(nèi)部不采用總線的方式8.2.2指令流程–控制信號例：ADD@X

取指周期2.CPU內(nèi)部采用總線方式（output輸出input輸入）8.2.2指令流程–控制信號例：ADD@X

間址周期2.CPU內(nèi)部采用總線方式（output輸出input輸入）（Read）8.2.2指令流程–控制信號例：ADD@X

執(zhí)行周期2.CPU內(nèi)部采用總線方式（output輸出input輸入）（Read）8.2.2指令流程–控制信號8.2、時序系統(tǒng)和控制方式8.2.1時序系統(tǒng)（周期、節(jié)拍）8.2.2指令流程8.2.3指令流水（并行執(zhí)行）8.2.4

時序控制提高訪存速度：1、采用高速存儲芯片2、多體并行存儲結(jié)構(gòu)3、采用高速緩沖存儲器提高CPU速度：P3451、采用高速邏輯部件2、改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：采用流水技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)的并行性。8.2.3指令流水–指令銜接方式CPU執(zhí)行指令序列時，各指令之間采取什么樣的銜接方式呢？最簡單的是串行順序處理方式，即一條指令執(zhí)行完后才讀取下一條。為了提高工作速度，現(xiàn)在的大多數(shù)計算機都采取重疊處理方式。重疊的程度取決于存儲與運算部件的多少，還與控制器指令部件的工作方式有關(guān)（即指令預(yù)取與譯碼執(zhí)行的技術(shù)）。現(xiàn)在，僅從預(yù)取指令的角度討論幾種指令銜接方式：

1、單存儲體串行處理方式

2、單存儲體重疊處理方式

3、雙存儲體重疊處理方式

4、多存儲體重疊處理方式1、單存儲體串行處理方式2、單存儲體重疊處理方式取第K條指令……取數(shù)運算取第K+1條指令取數(shù)運算取第K條指令……取數(shù)運算取第K+1條指令取數(shù)取第K條指令……取數(shù)運算取第K條指令……取k+1條指令取k+2條指令取第K+1條數(shù)……取第K+2條數(shù)取第K+3條數(shù)取k+3條指令……第K條運算第K+2條運算第K+3條運算第K+1條運算3、雙存儲體重疊處理方式（一存儲體存指令，一存儲體存數(shù)據(jù)）取第K條數(shù)0體1體運算器CPU進行運算時內(nèi)存空閑沒用!8.2.3指令流水–指令銜接方式單體單體4、多存儲體重疊處理方式

單元048地址譯碼器地址寄存器存儲器0數(shù)據(jù)寄存器地址譯碼器地址寄存器存儲器1數(shù)據(jù)寄存器地址譯碼器地址寄存器存儲器3數(shù)據(jù)寄存器存儲體號體內(nèi)地址多體：每個體有獨立的地址寄存器、地址譯碼器和數(shù)據(jù)寄存器。交叉：每一個體的地址不連續(xù)。048/159/…交叉編址。目的：提高單位時間內(nèi)取字的速率。（CPU對存儲體一對多）1593711地址譯碼器地址寄存器存儲器2數(shù)據(jù)寄存器2610Review：多體交叉存儲器單元048地址譯碼器地址寄存器存儲器0數(shù)據(jù)寄存器地址譯碼器地址寄存器存儲器1數(shù)據(jù)寄存器地址譯碼器地址寄存器存儲器3數(shù)據(jù)寄存器1593711地址譯碼器地址寄存器存儲器2數(shù)據(jù)寄存器2610取第K條指令……取第k條數(shù)第k條運算取第k+4條數(shù)第k+4條運算取k+4條指令0體取第K+1條指令……取第k+1條數(shù)第k+1條運算取第k+5條數(shù)取k+5條指令1體取第K+2條指令……取第k+2條數(shù)第k+2條運算取第k+6條數(shù)取k+6條指令2體取第K+3條指令……取第k+3條數(shù)第k+3條運算取第k+7條數(shù)取k+7條指令3體8.2.3指令流水–指令銜接方式流水線計算機的系統(tǒng)組成

其中CPU按流水線方式組織，通常由三部分組成3級流水線：指令部件、指令隊列、執(zhí)行部件。

為了使存儲器的存取時間能與流水線各過程段的速度相匹配，一般都采用多體交叉存儲器。8.2.3指令流水IF取指ID譯碼OF

取操作數(shù)EX執(zhí)行

流水線CPU的時空圖

計算機的流水線處理過程非常類似于工廠中的流水裝配線。為了實現(xiàn)流水，首先把輸入的任務(wù)(或過程)分割為一系列子任務(wù)，并使各子任務(wù)能在流水線的各個階段并發(fā)地執(zhí)行。當(dāng)任務(wù)連續(xù)不斷地輸入流水線時，在流水線的輸出端便連續(xù)不斷地吐出執(zhí)行結(jié)果，從而實現(xiàn)了子任務(wù)級的并行性。8.2.3指令流水–流水線CPUIFIDOFEX流入流出取指譯碼取操作數(shù)執(zhí)行取指譯碼取操作數(shù)執(zhí)行8.2.3指令流水–流水線CPU時鐘周期每隔4個時鐘周期完成1條指令第1條指令4個時鐘周期，以后每隔1個時鐘周期完成1條指令時鐘周期

每個時鐘周期內(nèi)可并發(fā)多條獨立指令（配置多個功能部件）

不能調(diào)整

指令的執(zhí)行順序（通過編譯優(yōu)化把可并行執(zhí)行的指令重組）8.2.3指令流水–流水線CPU超標(biāo)量技術(shù)

在一個時鐘周期內(nèi)再分段（在一個時鐘周期內(nèi)一個功能部件使用多次）

采用多個處理部件Pentium是Intel公司生產(chǎn)的超標(biāo)量流水處理器的經(jīng)典之作。8.2.3指令流水–流水線CPU取指