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1、关于中央处理器第1页，讲稿共28张，创作于星期一6.1 CPU的基本结构与功能l中央处理器简称中央处理器简称CPU，是计算机系统的核心。是计算机系统的核心。l主要功能：控制各个部件协调工作，具体有：主要功能：控制各个部件协调工作，具体有：1.指令控制：严格控制程序的执行顺序，是指令控制：严格控制程序的执行顺序，是CPU首要的任务首要的任务2.操作控制：操作控制：CPU产生操作信号传送给被控部件，并能检测产生操作信号传送给被控部件，并能检测各个部件发送的信号。各个部件发送的信号。3.时序控制：对操作信号施加时间上的控制。时序控制：对操作信号施加时间上的控制。只有严格的时序控制，才能保证各功能部件
2、组只有严格的时序控制，才能保证各功能部件组合构成有机的计算机系统。合构成有机的计算机系统。4.数据加工：数据加工处理是完成程序功能的基础，是数据加工：数据加工处理是完成程序功能的基础，是CPU的根本任务。的根本任务。l组成：由运算器和控制器组成。组成：由运算器和控制器组成。控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。控制器组成。第2页，讲稿共28张，创作于星期一控制器的主要任务有：控制器的主要任务有：1.取指取指从主存中取出指令送到指令寄存器，指令的操作码送给指令译码器，从主存中取出指令送到指令寄存器，指令
3、的操作码送给指令译码器，并同时修改程序计数器，以便于指出下一条指令在主存中的存放地址。并同时修改程序计数器，以便于指出下一条指令在主存中的存放地址。2.译码译码对译码器中的指令操作码进行识别和解释，产生相应的操作控对译码器中的指令操作码进行识别和解释，产生相应的操作控制信号。从而启动相应的部件，完成此指令规定的操作。制信号。从而启动相应的部件，完成此指令规定的操作。3.数据流控制数据流控制指挥和控制指挥和控制CPU、主存及输入输出部件之间的数据流动方向主存及输入输出部件之间的数据流动方向4.运算器由算术逻辑部件运算器由算术逻辑部件ALU、累加器、数据缓冲寄存器、寄累加器、数据缓冲寄存器、寄存器
4、组和状态寄存器组成，是数据加工处理部件。存器组和状态寄存器组成，是数据加工处理部件。5.CPU主要组成部件逻辑结构图见书主要组成部件逻辑结构图见书157：图图61第3页，讲稿共28张，创作于星期一6.1.3 CPU内部寄存器l1、寄存器：、寄存器：l是是CPU中的重要组成部分，是中的重要组成部分，是CPU内部的临内部的临时存储单元。时存储单元。l寄存器增加可以提高寄存器增加可以提高CPU运行速度。运行速度。l2、存放内容：、存放内容：l数据、地址、控制信息、数据、地址、控制信息、CPU的工作状态信的工作状态信息息l3、分类：、分类：l可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。可分为通用寄存器和专用寄
5、存器两大类。第4页，讲稿共28张，创作于星期一1.数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DR用来存放用来存放CPU从主存读来的一个指令字或一个数据字从主存读来的一个指令字或一个数据字作用是：作用是：（1）作为）作为CPU与主存、外围设备之间的信息中转站与主存、外围设备之间的信息中转站（2）对数据起到缓冲作用，补偿）对数据起到缓冲作用，补偿CPU与主存、外围设备之间的操与主存、外围设备之间的操作时间差异。作时间差异。（3）缓冲寄存器为算术逻辑部件提供另一个操作数。）缓冲寄存器为算术逻辑部件提供另一个操作数。2.指令寄存器指令寄存器IR当当CPU从主存中取指令时，取得的指令经缓冲寄存器转送到指从主存中取指令
6、时，取得的指令经缓冲寄存器转送到指令寄存器。还有对指令中的操作码进行译码的任务。令寄存器。还有对指令中的操作码进行译码的任务。3.程序计数器程序计数器PC用来确定下一条指令在主存中的地址。用来确定下一条指令在主存中的地址。修改修改PC值可以：顺序执行指令或者分支转移指令执行。值可以：顺序执行指令或者分支转移指令执行。4.地址寄存器地址寄存器AR用来保存当前用来保存当前CPU所要访问的主存单元或所要访问的主存单元或I/O端口地址。端口地址。第5页，讲稿共28张，创作于星期一5.累加寄存器累加寄存器AC简称累加器。信息来源于缓冲寄存器或算术逻辑单元，数据出口是简称累加器。信息来源于缓冲寄存器或算术
7、逻辑单元，数据出口是ALU。6.状态寄存器状态寄存器PSW用来保存执行算术运算指令、逻辑运算指令及各类测试指令时自动用来保存执行算术运算指令、逻辑运算指令及各类测试指令时自动产生的状态结果，为后续指令的执行提供判断条件。产生的状态结果，为后续指令的执行提供判断条件。6.1.4操作控制器和时序产生器操作控制器和时序产生器数据通路：即许多寄存器之间传送信息的通路。数据通路：即许多寄存器之间传送信息的通路。在各类寄存器之间建立数据通路的任务由操作控制器来完成在各类寄存器之间建立数据通路的任务由操作控制器来完成操作控制器的功能就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制器的功能就是根据指令操作码和时
8、序信号，产生各种操作控制信号，用来正确的建立数据通路，完成取指令和执行指令操作控制信号，用来正确的建立数据通路，完成取指令和执行指令的控制。的控制。根据不同的设计，操作控制器分为：时序逻辑型、存储逻辑型、根据不同的设计，操作控制器分为：时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑型与存储逻辑型结合型时序逻辑型与存储逻辑型结合型第6页，讲稿共28张，创作于星期一6.2 指令的执行过程l指令周期的基本概念指令周期的基本概念l非访内指令的指令周期非访内指令的指令周期l直接访内指令的指令周期直接访内指令的指令周期l间接访内指令的指令周期间接访内指令的指令周期l程序控制指令的指令周期程序控制指令的指令周期l用方框图
9、语言表示指令周期用方框图语言表示指令周期第7页，讲稿共28张，创作于星期一6.2.1指令周期指令周期CPU可以轻松的区别出指令和数据是因为它能按程序中的指可以轻松的区别出指令和数据是因为它能按程序中的指令序列取指，并对指令进行译码、执行。令序列取指，并对指令进行译码、执行。具体过程：先按程序计数器的值从主存中取得一条指令，然具体过程：先按程序计数器的值从主存中取得一条指令，然后译码、执行，接着又取下一条指令，译码、执行。直至遇到停后译码、执行，接着又取下一条指令，译码、执行。直至遇到停机指令。机指令。见见图图P1606-2指令周期指令周期：从主存中取出一条指令到执行完这条指令的时间。：从主存中
10、取出一条指令到执行完这条指令的时间。机器周期机器周期：即：即CPU周期。周期。时钟周期时钟周期：处理操作的最基本的单位又叫节拍脉冲或：处理操作的最基本的单位又叫节拍脉冲或T周期。周期。指令周期常用机器周期来表示，一个机器周期又包含若干个时指令周期常用机器周期来表示，一个机器周期又包含若干个时钟周期钟周期。如果指令执行时间的节拍数与取指的节拍数相同，叫定长如果指令执行时间的节拍数与取指的节拍数相同，叫定长CPU周期。周期。见见图图P1606-3为了提高指令的执行速度，有的计算机采用不定长的为了提高指令的执行速度，有的计算机采用不定长的CPU周周期，可以缩短指令的执行时间。期，可以缩短指令的执行时
11、间。见见图图P1616-4第8页，讲稿共28张，创作于星期一6.2.26.2.2非访内指令的指令周期非访内指令的指令周期非访内指令的指令周期非访内指令的指令周期一条这样的指令的指令周期需要一条这样的指令的指令周期需要2个个CPU周期。周期。第第1个个CPU周期用来进行取指和译码操作。周期用来进行取指和译码操作。第第2个个CPU周期用于指令的执行操作。周期用于指令的执行操作。在整个取指，译码阶段，在整个取指，译码阶段，CPU完成下面的操作：完成下面的操作：图图6-5（1）从主存中取出指令）从主存中取出指令（2）程序计数器）程序计数器PC的值加的值加1送送PC，确定下一条指令的地址确定下一条指令的
12、地址（3）对取得的指令的操作码进行译码，确定该指令的操作。）对取得的指令的操作码进行译码，确定该指令的操作。1.取指译码阶段取指译码阶段P162图图6-62.指令执行阶段指令执行阶段P162图图6-73.3.6.6.2.32.3直接访内指令的指令周期直接访内指令的指令周期直接访内指令的指令周期直接访内指令的指令周期4.送操作数地址送操作数地址5.取操作数和指令执行取操作数和指令执行P164图图6-8第9页，讲稿共28张，创作于星期一6.2.4间接访内指令的指令周期间接访内指令的指令周期1.送地址指针送地址指针2.取操作数地址取操作数地址3.存储结果存储结果P166图图6-114.6.2.5程序
13、控制指令的指令周期程序控制指令的指令周期P168图图6-135.6.2.6指令周期流程图指令周期流程图P169图图6-146.6.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式6.3.1时序信号的作用和体制时序信号的作用和体制CPU区别指令和数据是依靠：区别指令和数据是依靠：1.1.从时间上：从时间上：取指令发生在指令周期的第取指令发生在指令周期的第1 1个个CPUCPU周期中周期中。取数据发生在指令周期的后几个取数据发生在指令周期的后几个CPUCPU周期中周期中。2.2.从空间上：从空间上：若取出的代码是指令，则一定送到指令寄存器若取出的代码是指令，则一定送到指令寄存器若取出的代码是数据，一定送
14、到运算器若取出的代码是数据，一定送到运算器。计算机的协调动作需要时间标志，时间标志是用时序信号体现的计算机的协调动作需要时间标志，时间标志是用时序信号体现的第10页，讲稿共28张，创作于星期一组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是电电位位-脉冲制脉冲制。硬布线控制器中，时序信号采用主状态周期硬布线控制器中，时序信号采用主状态周期-节拍电位节拍电位-节拍节拍脉冲三级体制。脉冲三级体制。一个节拍电位表示一个一个节拍电位表示一个CPUCPU周期的时间周期的时间，表示了一个较大的时，表示了一个较大的时间单位。间单位。在在一个节拍电位中又
15、包含若干个节拍脉冲一个节拍电位中又包含若干个节拍脉冲，表示较小的时间，表示较小的时间单位；单位；主状态周期可包含若干个节拍电位主状态周期可包含若干个节拍电位，它是最大的时间单，它是最大的时间单位。主状态周期可以用一个触发器的状态持续时间表示。位。主状态周期可以用一个触发器的状态持续时间表示。在微程序控制器中，采用节拍电位在微程序控制器中，采用节拍电位-节拍脉冲二级体制节拍脉冲二级体制。只有一。只有一个节拍电位，在节拍电位中又包含若干个节拍脉冲（时钟周期）。个节拍电位，在节拍电位中又包含若干个节拍脉冲（时钟周期）。节拍电位表示一个节拍电位表示一个CPUCPU周期周期的时间，而的时间，而节拍脉冲把
16、一个节拍脉冲把一个CPUCPU周期周期划分成几个较小的时间间隔划分成几个较小的时间间隔。6.3.2时序信号产生器时序信号产生器1.1.时钟源时钟源第11页，讲稿共28张，创作于星期一用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成。由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成。输出送到环形脉冲发生器。输出送到环形脉冲发生器。2.2.环形脉冲发生器环形脉冲发生器产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列，通过译码电路来产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列，通过译码电路来产
17、生最后所需的节拍脉冲。产生最后所需的节拍脉冲。3.3.启停控制逻辑启停控制逻辑核心是一个运行标志触发器核心是一个运行标志触发器Cr6.3.3控制方式控制方式控制器的控制方法：控制不同操作序列时序信号的方法。控制器的控制方法：控制不同操作序列时序信号的方法。常用的有：同步控制、异步控制、联合控制。常用的有：同步控制、异步控制、联合控制。实质反映了时序信号的定时方式。实质反映了时序信号的定时方式。1.1.同步控制方式同步控制方式已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数是固定不变的。已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数是固定不变的。第12页，讲稿共28张，创作于星期一可选取的方案：可
18、选取的方案：（1）采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。对简单指令和简单操作来说，造成时间浪费对简单指令和简单操作来说，造成时间浪费。（2）采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一个较短采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一个较短 的机器周期内完成的机器周期内完成。（3）中央控制与局部控制结合中央控制与局部控制结合。中央控制：中央控制：将大部分指令安排在固定的机器周期完成将大部分指令安排在固定的机器周期完成。局部控制：局部控制：对少数复杂指令采用另外的时序进行定时对少数复杂指令采用另外的时序进行定时。2.2.异步控制方式异步控制方式特点：特点：每
19、个指令、操做控制信号需要多少时间就占用多少时间每个指令、操做控制信号需要多少时间就占用多少时间用这种方式形成的操作控制序列没有固定的用这种方式形成的操作控制序列没有固定的CPU周期数或严格的周期数或严格的时钟周期和它同步。时钟周期和它同步。3.3.联合控制方式联合控制方式是同步和异步控制结合的方式是同步和异步控制结合的方式。一个是，大部分操作序列安排在固定的机器周期中一个是，大部分操作序列安排在固定的机器周期中一个是，机器周期的节拍脉冲数固定，但各条指令周期的机器周期数不固一个是，机器周期的节拍脉冲数固定，但各条指令周期的机器周期数不固定。定。第13页，讲稿共28张，创作于星期一6.4 微程序
20、控制器微程序控制器微程序的控制原则：微程序的控制原则：以保存在只读存储器内的专用程以保存在只读存储器内的专用程序代替逻辑控制电路。序代替逻辑控制电路。这种只读存储器称为这种只读存储器称为控制存储器控制存储器。以微程序形式保存控制信号叫以微程序形式保存控制信号叫微程序控制器微程序控制器。微程序控制器和硬布线控制器相比较，具有归整性、微程序控制器和硬布线控制器相比较，具有归整性、灵活性、可维护性等优点。灵活性、可维护性等优点。微程序的基本思想：微程序的基本思想：仿照通常的方法，把操作控制信仿照通常的方法，把操作控制信号编成所谓的号编成所谓的“微指令微指令”，存放到一个只读存储器中。当，存放到一个只
21、读存储器中。当机器运行时，一条又一条的读出这些微指令，产生全机机器运行时，一条又一条的读出这些微指令，产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作。操作。第14页，讲稿共28张，创作于星期一6.4.1微命令和微操作微命令和微操作控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，这种控制控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，这种控制命令命令叫微命令叫微命令。而执行部件接受微命令后所进行的操作而执行部件接受微命令后所进行的操作叫微操作叫微操作。微操作在执行部件中是最基本操作。微操作在执行部件中是最基本操作。相容性微操作：相容性微操
22、作：在同时或在同一个在同时或在同一个CPU周期内可以并行执行得周期内可以并行执行得微操作微操作。相斥性微操作：相斥性微操作：指不能在同时或不能在同一个指不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行周期内并行执行的微操作执行的微操作。6.4.2微指令和微程序微指令和微程序在机器的一个在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合构周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合构成一条成一条微指令微指令。微指令由操作控制和顺序控制组成。微指令由操作控制和顺序控制组成。操作控制操作控制用来发出管理和指挥全机工作的控制信号用来发出管理和指挥全机工作的控制信号。微指令格式中的微指令格式中的顺序控制
23、顺序控制部分用来决定产生下一条微指令的部分用来决定产生下一条微指令的地址。地址。第15页，讲稿共28张，创作于星期一 一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列通常叫做这个微指令序列通常叫做微程序微程序。6.4.3 6.4.3 微程序控制器原理框图微程序控制器原理框图 主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成，其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器两部组成，其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。分。控制存储器：控制存储器：用
24、来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读型用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读型存储器。一旦微程序固化，机器运行时则只读不写存储器。一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。读出一条微指令并执行微指令的时间总和读出一条微指令并执行微指令的时间总和称为一个称为一个微指令周期微指令周期。控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。即取决于微程序的数量。对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。微指令寄存器：微指令寄存器：用来存放由控制存储
25、器读出的一条微指令信息用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。微地址寄存器微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。第16页，讲稿共28张，创作于星期一 地址转移逻辑地址转移逻辑：微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中地址，简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。6.4.4微程序举例微程序举例一条机器指令是由若
26、干条微指令组成的序列来实现的。因此，一条一条机器指令是由若干条微指令组成的序列来实现的。因此，一条机器指令对应着一个微程序，而机器指令对应着一个微程序，而微程序的总和便可实现整个的指令系微程序的总和便可实现整个的指令系统统。6.4.5 6.4.5 CPUCPU周期与微指令周期的关系周期与微指令周期的关系在串行方式的微程序控制器中，微指令周期等于读出微指令在串行方式的微程序控制器中，微指令周期等于读出微指令的时间加上执行该条微指令的时间。为了保证整个机器控制信的时间加上执行该条微指令的时间。为了保证整个机器控制信号的同步，可以将一个微指令周期时间设计得恰好和号的同步，可以将一个微指令周期时间设计
27、得恰好和CPUCPU周期时周期时间相等。间相等。6.4.6 6.4.6 机器指令与微指令的关系机器指令与微指令的关系 第一：第一：一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完 成，由微指令进行解释和执行。成，由微指令进行解释和执行。第17页，讲稿共28张，创作于星期一 第二：第二：指令与微指令与内存储器有关；程序与微程序与控制指令与微指令与内存储器有关；程序与微程序与控制 存储器存储器有关，也有相对应的硬设备有关，也有相对应的硬设备第三：第三：每一个每一个CPUCPU周期就对应一条微指令。周期就对应一条微指令。6.5 6.5 微程序设计技术微程序
28、设计技术设计微指令结构应当追求的目标是：设计微指令结构应当追求的目标是：(1)(1)有利于缩短微指令字长度；有利于缩短微指令字长度；(2)(2)有利于减小控制存储器的容量；有利于减小控制存储器的容量；(3)(3)有利于提高微程序的执行速度；有利于提高微程序的执行速度；(4)(4)有利于对微指令的修改；有利于对微指令的修改；(5)(5)有利于提高微程序设计的灵活性。有利于提高微程序设计的灵活性。6.5.1微命令编码微命令编码微命令编码，就是对微指令中的操作控制字段采用的表示方微命令编码，就是对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。有以下三种方法法。有以下三种方法 ：(1)(1)直接表示法直接表示
29、法 ：特点是操作控制字段中的每一位代表一个微命令。：特点是操作控制字段中的每一位代表一个微命令。优点优点是简单直观，其输出直接用于控制。是简单直观，其输出直接用于控制。缺点缺点是微指令字较长，因而使控制存储器容量较大。是微指令字较长，因而使控制存储器容量较大。第18页，讲稿共28张，创作于星期一（2）编码表示法）编码表示法：把一组相斥性的微命令信号组成一个小组（即把一组相斥性的微命令信号组成一个小组（即一个字段），然后通过小组（字段）译码器对每一个微命令信号一个字段），然后通过小组（字段）译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号进行译码，译码输出作为操作控制信号。优点优点是是
30、可以用较小的二进制信息位表示较多的微命令信号。可以用较小的二进制信息位表示较多的微命令信号。缺点缺点是是由于增加译码电路，使微程序的执行速度稍稍减慢。由于增加译码电路，使微程序的执行速度稍稍减慢。（3 3）混合表示法）混合表示法 ：是把直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综合考：是把直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综合考虑微指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。虑微指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。6.5.2微地址的形成方法微地址的形成方法 微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何确定下一条微指令的地址微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何确定下一条微指令的地址问题。
31、问题。产生后继微地址有两种方法：产生后继微地址有两种方法：1计数器方式计数器方式同用程序计数器来产生机器指令地址的方法相类似。同用程序计数器来产生机器指令地址的方法相类似。特点特点是：微指令的顺序控制字段较短，微地址产生机构简单。是：微指令的顺序控制字段较短，微地址产生机构简单。缺点缺点是：是：多路并行转移功能较弱，速度较慢，灵活性较差。多路并行转移功能较弱，速度较慢，灵活性较差。第19页，讲稿共28张，创作于星期一2多路转移方式多路转移方式一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。特点特点是：能以较短的顺序控制字段配合，实现多路并是：能以较短
32、的顺序控制字段配合，实现多路并行行转移，灵活性好，速度较快。转移，灵活性好，速度较快。缺点缺点是：是：转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。6.5.3微指令格式微指令格式微指令的编译方法是决定微指令格式的主要因素。微指令的编译方法是决定微指令格式的主要因素。微指令的格式大体分成两类：水平型微指令和垂直型微指微指令的格式大体分成两类：水平型微指令和垂直型微指令。令。1 1水平型微指令水平型微指令 一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令。一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令。2 2垂直型微指令垂直型微指令 微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由
33、微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能。微操作码规定微指令的功能。3 3水平型微指令与垂直型微指令的比较水平型微指令与垂直型微指令的比较 第20页，讲稿共28张，创作于星期一 （1 1 1 1）水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，）水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，）水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，）水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则较差。垂直型微指令则较差。垂直型微指令则较差。垂直型微指令则较差。（2 2 2 2）水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令）水平型微指令执行一条指令的时间短，垂
34、直型微指令）水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令）水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。执行时间长。执行时间长。执行时间长。（3 3 3 3）由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长）由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长）由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长）由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字比较短而微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字比较短而微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字比较短而微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字比较短而微程序长。而微程序长。而微程
35、序长。而微程序长。（4 4 4 4）水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与机器）水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与机器）水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与机器）水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与机器指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。6.5.4 6.5.4 动态微程序设计动态微程序设计 6.6 6.6 硬布线控制器硬布线控制器6.6.1 6.6.1 基本思想基本思想 是把控制部件看做为产生专门固定时序控制信号的逻是把控制部件看做为产生专门固定时序控制信
36、号的逻辑电路，而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速辑电路，而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。一旦控制部件构成后，除非重新设计和物度为设计目标。一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上对它重新布线，否则要想增加新的控制功能是不可能理上对它重新布线，否则要想增加新的控制功能是不可能的。是一种由门电路和触发器构成的复杂树形网络。的。是一种由门电路和触发器构成的复杂树形网络。第21页，讲稿共28张，创作于星期一6.6.2指令执行流程指令执行流程6.6.3微操作控制信号的产生微操作控制信号的产生在微程序控制器中，微操作控制信号由微指令产生，并且可以在微程序控制器中，微操作控制
37、信号由微指令产生，并且可以重复使用。重复使用。6.7 6.7 流水流水CPUCPU 6.7.1 6.7.1 并行处理技术并行处理技术 并行性有着两种含义：并行性有着两种含义：一是同时性一是同时性，指两个以上事件在同一时，指两个以上事件在同一时刻发生；刻发生；二是并发性二是并发性，指两个以上事件在同一时间间隔内发生。，指两个以上事件在同一时间间隔内发生。计算机的并行处理技术可贯穿于信息加工的各个阶段，概括计算机的并行处理技术可贯穿于信息加工的各个阶段，概括起来主要有起来主要有三种形式三种形式：（1 1）时间并行；（）时间并行；（2 2）空间并行）空间并行；（；（3 3）时间并行）时间并行+空间并
38、行。空间并行。时间并行时间并行：指时间重叠，时间并行性概念的实现方式就是采用流水处：指时间重叠，时间并行性概念的实现方式就是采用流水处理部件。理部件。空间并行空间并行：指资源重复，主要体现在多处理器系统和多计算机系统。：指资源重复，主要体现在多处理器系统和多计算机系统。但是在单处理器系统中也得到了广泛应用。但是在单处理器系统中也得到了广泛应用。第22页，讲稿共28张，创作于星期一 时间并行时间并行+空间并行空间并行：指时间重叠和资源重复的综合应用，既采用时指时间重叠和资源重复的综合应用，既采用时间并行又采用空间并行。间并行又采用空间并行。6.7.2 6.7.2 流水流水CPUCPU的结构的结构
39、 1 1水平型微指令流水计算机的系统组成水平型微指令流水计算机的系统组成 由三大部分组成：指令部件、指令队列、执行部件。这三个功能部件由三大部分组成：指令部件、指令队列、执行部件。这三个功能部件可以组成一个可以组成一个3 3级流水线。级流水线。2 2流水流水CPUCPU的时空图的时空图 3 3流水线分类流水线分类 （1 1）指令流水线）指令流水线 指令流水线是指指令步骤的并行。指令流水线是指指令步骤的并行。（2 2）算术流水线）算术流水线 算术流水线是指运算操作步骤的并行。算术流水线是指运算操作步骤的并行。（3 3）处理机流水线）处理机流水线 处理机流水线又称为宏流水线，是指程序处理机流水线又
40、称为宏流水线，是指程序步骤的并行。步骤的并行。6.7.3 6.7.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题 由于由于流水过程中会出现以下三种相关冲突流水过程中会出现以下三种相关冲突，实现流水线的不断流，实现流水线的不断流是困难的。是困难的。这三种相关是资源相关、数据相关和控制相关这三种相关是资源相关、数据相关和控制相关。第23页，讲稿共28张，创作于星期一1资源相关资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。部件所发生的冲突。2数据相关数据相关在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行
41、后一条在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。指令，那么这两条指令就是数据相关的。为了解决数据相关冲突，流水为了解决数据相关冲突，流水CPU的运算器中特意设置若干运算结果缓的运算器中特意设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为“向前向前”或定向传送技术。或定向传送技术。3控制相关控制相关由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标
42、地址取指令，从而可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流。使流水线发生断流。为了减小转移指令对流水线性能的影响，为了减小转移指令对流水线性能的影响，常用以下两种转移处理常用以下两种转移处理技术：技术：第24页，讲稿共28张，创作于星期一 延迟转移法延迟转移法由编译程序重排指令序列来实现。基本思想是由编译程序重排指令序列来实现。基本思想是“先执行再转先执行再转移移”转移预测法转移预测法硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来的行为。的行为。6.7.4 6.7.4 奔腾奔腾CPUCPU 1 1奔腾奔腾CPUCPU的结
43、构框图（的结构框图（P187P187）2 2 PentiumPentium的技术性能的技术性能(1 1)超标量流水线（超标量流水线（超标量流水线是超标量流水线是PentiumPentium系统结构的核心）。系统结构的核心）。(2)(2)指令指令CacheCache（8KB8KB）和数据）和数据CacheCache（8KB8KB）(3)(3)浮点运算部件（浮点运算部件（PentiumCPUPentiumCPU内部包含了一个内部包含了一个8 8段的流水浮点段的流水浮点 运运算器）。算器）。(4)(4)动态转移预测技术动态转移预测技术 执行转移指令时为了不使流水线断流，执行转移指令时为了不使流水线断
44、流，PentiumPentium采用了动态转移预测采用了动态转移预测技术。技术。第25页，讲稿共28张，创作于星期一6.8 多媒体多媒体CPU 6.8.1多媒体技术的重要问题多媒体技术的重要问题多媒体技术解决的主要问题有：多媒体技术解决的主要问题有：1图像与声音的压缩技术图像与声音的压缩技术2适应多媒体技术的软件技术适应多媒体技术的软件技术3计算机系统结构方面的技术计算机系统结构方面的技术6.8.2MMX技术技术MMX是一种多媒体扩展结构技术，它极大提高了计算机在多媒体是一种多媒体扩展结构技术，它极大提高了计算机在多媒体和通信应用方式的功能。和通信应用方式的功能。MMXMMX技术集成到新一代技
45、术集成到新一代PentiumCPUPentiumCPU时，其主要体现在：时，其主要体现在：采用采用4 4种新种新的数据类型，的数据类型，使用使用8 8个个6464位宽的位宽的MMXMMX寄存器，寄存器，增设增设5757条新指令。条新指令。1 1MMXMMX数据类型数据类型 2 2MMXMMX指令集指令集 3 3MMXMMX寄存器寄存器 第26页，讲稿共28张，创作于星期一MMX指令的先进性体现在以下五个方面：指令的先进性体现在以下五个方面：SIMDSIMD结构：结构：是单指令多数据的系统结构。是单指令多数据的系统结构。饱和运算方式：饱和运算方式：这是运算发生溢出时使用的处理方法。这是运算发生溢
46、出时使用的处理方法。积和运算方式：积和运算方式：具有乘法具有乘法累加操作功能。累加操作功能。比较指令特点：比较指令特点：不建立标志位，而是建立真假条件的屏蔽字，后跟一个不建立标志位，而是建立真假条件的屏蔽字，后跟一个逻辑操作，从不同的输入中选择所需要的元素，从而对输人数据并逻辑操作，从不同的输入中选择所需要的元素，从而对输人数据并行地分别进行处理。行地分别进行处理。转换指令特点：转换指令特点：是紧缩或解紧缩指令，能方便地完成各种精度数据转换，其是紧缩或解紧缩指令，能方便地完成各种精度数据转换，其中紧缩指令带有饱和操作。中紧缩指令带有饱和操作。6.8.3 6.8.3 动态执行技术动态执行技术 通过预测程序流来调整指令的执行，并且分析程序的数据流来选择通过预测程序流来调整指令的执行，并且分析程序的数据流来选择指令执行的最佳顺序。（见指令执行的最佳顺序。（见P184P184，图，图6-266-26）第27页，讲稿共28张，创作于星期一上海第二工业大学计算机与信息学院上海第二工业大学计算机与信息学院 杨洁杨洁感谢大家观看第28页，讲稿共28张，创作于星期一