第5章中央處理器（CPU）5.1控制器的基本概念5.2時序系統與控制方式5.3指令的執行過程5.4微程序控制原理5.5微程序設計舉例5.6硬布線控制器5.7流水線處理技術15.5微程序設計舉例5.5.1系統構成5.5.2微指令格式5.5.3微程序流程25.5.1系統構成345選用了4片Am2901芯片實現的接收內部總線IB送來的16位數據運算結果

①送到地址寄存器AR

②經過2個8位的開關門電路送到內部中線IB運算結果的狀態信息送到標志寄存器FLAG，FLAG的輸出可以經過一個8位的開關門送到內部總線IB。1）運算器67微程序的和組合邏輯的兩種控制器主要線路都集中到一片高集成度MACH器件中實現。在MACH芯片之外，有一片Am2910芯片作為微程序定序器的，2片8位的寄存器用作指令寄存器IR。指令寄存器接收從內存讀出并傳送到內部總線IB的指令，其全部16位輸出送到MACH芯片的輸入引腳，其低8位內容還要經一個開關門送到內部總線IB。微指令字中的32位微命令和組合邏輯控制器的32位控制信號完全相同。2）控制器892片8KB的EEPROM芯片58C65組成8KWROM區，地址范圍：0～1FFFH，固化監控程序

2片2KB的SRAM芯片6116組成2KWRAM區，地址范圍：2000H～27FFH，保存用戶程序和用戶數據，其高端的一些單元作為監控程序的數據區用于完成擴展內存實驗的第二組ROM區，地址范圍由用戶選擇。2路串行接口（INTEL8251），以支持接入PC機作為教學計算機的仿真終端完成輸入輸出操作；第一個串口的端口地址分配為80h/81h，第二個串口的端口地址可以由用戶選擇。作為擴展實驗內容，也可以通過在一個40芯的器件插座上插上其他標準接口線路（例如INTEL的8255、8253等）并適當接線，完成常用接口線路的輸入輸出操作。3）主存及I/O接口10115.5.2微指令格式微指令字長48位：

順序控制字段16位、操作控制字段32位。B47B46B45B44B43B42B41B408位下址字段B39B38B37B36B35B34B33B32Am2910命令碼CI3----CI0SCC給出2910的/CC的選擇碼12B31B30B29B28B27B26B25B24MRWI2I1I0I8I7B23B22B21B20B19B18B17B16I6I5I4I3B口地址B15B14B13B12B11B10B9B8A口地址SSTB7B6B5B4B3B2B1B0SSHSCIDC1DC2132910的/CC的選擇碼14存儲器和I/O接口控制15ALU完成功能需要的控制信號數據來源（I2I1I0

）功能代碼（I5I4I3

）結果去向（I8I7I6

）A口地址B口地址最低位進位控制信號（SCi）狀態寄存器接收信號（SST）移位控制信號（SSH）160,1,RAM0Q0,RAM15

16位的運算器16位機的運算器的完整組成四位標志位GAL1右移輸入信號GAL3

SST左移輸入信號GAL3最低位進位GAL3CZVSCyF=0OVRF15來自內部總線IBSSHSSHSCi[運算功能碼]右移控制左移控制RAM15Q15RAM0Q00CQ15/F150CCyRAM001C[/C]方波Y15~0D15~0B口A口I8~I0Cin1718ALU可完成的功能ADDR0,R1;SUBR0,R1?INCR0?MOVR1,1;ADDR0,R1DECR0?ADCR0?SBBR0,R1R0+/R1+1(C)R0+0+1(C)R0+/0+0(C)R0+R1+0(C)R0+0+CR0+/R1+C19ALU最低位進位信號最低位進位Cin

控制碼SCI應用場合舉例

000ADDDEC

101SUBINCC10

ADCSBB

最低位進位信號由

SCi

編碼決定20DC1、DC2字段215.5.3微程序流程1）基本指令222）擴展指令235.6

硬布線控制器5.6.1硬布線控制器與微程序控制器的比較5.6.2硬布線控制器設計步驟24共同點基本功能都是依據當前正在執行的指令和它所處的執行步驟，形成并提供處在這一時刻整機各部件所需要的控制信號。組成部分都有程序計數器PC，指令寄存器IR，時序電路。都分成幾個執行步驟完成每一條指令的具體功能。5.6.1硬布線控制器與微程序控制器的比較25不同點指令執行步驟的控制方法不同硬布線控制器是用節拍發生器指明指令執行步驟（機器周期、節拍、工作脈沖）微程序控制器是通過微指令地址的銜接區分指令執行步驟（微周期）提供微操作控制信號的方案不同硬布線控制器是用組合邏輯門電路直接提供控制計算機各功能部件協同運行所需的控制信號微程序控制器控制信號是以微程序的方式存放在控制存儲器中，控制信號從控制存儲器中讀出，并經過一個微指令寄存器送到被控制部件。26硬布線控制器微程序控制器結構不規整、設計與實現復雜結構規整、設計與實現簡單不易修改和擴充可修改性，易于實現系列產品運行速度快運行速度慢特點比較275.6.2硬布線控制器設計步驟1）時序系統2）擬定指令流程（以機器周期為線索、以指令為線索）3）列出微操作時間表(電位型微命令、脈沖型微命令）4）綜合分析，歸納出產生每個微命令的條件，寫出每個微命令的邏輯表達式，并進行化簡。5）實現電路285.7流水線處理技術對于指令的執行，CPU可有三種控制方式：

順序方式、重疊方式及流水線方式。5.7.1重疊控制和先行控制5.7.2流水線工作原理295.7.1重疊控制和先行控制1）順序執行和重疊控制（1）順序執行順序執行方式是指各指令間順序串行執行，執行完第k條指令后，方可取出第k+1條指令分析、執行。T=3nt，T=（t取指+t分析+t執行）取指K分析K執行K取指K+1分析K+1執行K+130（2）重疊控制①一次重疊一次重疊執行方式是把執行第k條指令與取第k+1條指令同時進行。

T=（2*n+1）t

取指K分析K執行K取指K+1分析K+1執行K+1取指K+2分析K+2執行K+231②二次重疊二次重疊執行方式是把取第k+1條指令提前到與分析第k條指令同時進行，分析第k+1條指令與執行第k條指令同時進行。T=（n+2）t取指K分析K執行K取指K+1分析K+1執行K+1取指K+2分析K+2執行K+232二次重疊執行方式必須有獨立的取指部件、指令分析部件和指令執行部件。解決訪問內存沖突一般采用三種方法：設置彼此獨立編址的指令存儲器和數據存儲器，并規定執行指令的結果只寫到通用寄存器。采用多體交叉存儲結構，一個讀周期同時可以訪問多個存儲單元。采用先行控制技術，進行指令預取。332）先行控制在CPU內部設置指令隊列緩沖器及相應的預取指令計數器、隊列控制邏輯等，就可以預先將內存中的指令取到隊列緩沖器中，這樣“取指k+1”只需將第k+1條指令由指令隊列緩沖器取到指令分析部件，無需訪問內存。指令預取得以實現的原因是指令的執行階段比分析階段運行使用的時間長，在執行k和分析k+1同時進行時，當k+1已分析完成，k執行還未完成，此時若存儲器空閑，就可進行指令的預取。34在先行控制下的一次重疊執行方式是把一條指令的執行過程分為“分析”和“執行”二個子過程。T=t分析1+[MAX{t分析i+t執行i-1}]+t執行n

（i=2～n）執行K分析K+1分析K執行K+1分析K+2執行K+2t1t235使各階段的專用控制部件不間斷的工作。

T=t分析1+t執行i

（i=1～n）執行K分析K+1分析K執行K+1分析K+2執行K+2分析K+2365.7.2流水線工作原理1）流水線概念流水線技術是將一個重復的處理過程分解為m個復雜程度大致相同，處理時間大致相同的子過程，每一個子過程由一個獨立的功能部件完成。處理對象在實現各子過程的功能部件連成的通路上連續流動，在同一時間，m個部件同時進行不同的操作完成對不同的指令或數據，不同子過程的處理。這種并行處理是通過各功能部件在時間上的重疊實現的。37流水線方式與順序工作方式相比，硬件設備增加量少，只是將完成各子過程的功能部件分開，但效率卻相當于m套順序處理設備的并行工作結果。38如果將一條指令的執行過程分解為取指令、指令譯碼、取操作數和執行四個子過程，每一過程對應的部件的輸出端皆有一個鎖存器，使對應的四個部件相互獨立工作。設各部件的執行時間分別為Δt1、Δt2、Δt3、Δt4，且Δt1=Δt2=Δt3=Δt4=Δt，則執行指令的速度是順序執行的4倍。39時空圖若部件并行工作，可采用時空圖描述。橫坐標表示時間，也就是輸入到流水線中各個任務在流水線中所經過的時間，當各任務執行時間都相等時，橫坐標被分割成相等長度的時間段縱坐標表示空間，也就是流水線的各個子過程(也稱為功能段)。402）流水線分類（1）按照流水線使用的級別分類一個計算機系統可以在不同的并行等級上采用流水線技術功能部件級(運算操作流水線)指令級(指令流水線)處理器級----又稱為宏流水線，是指程序步驟的并行。41指令流水線是一種將每條指令分解為多個子過程，并讓各子過程操作重疊，從而實現n條指令并行處理的技術。例如：80486CPUPF預取級D1譯碼級D2譯碼級EX執行級WB寫回級42運算操作流水線在指令流水線的每一個部件內部還可以采用流水線來實現。例如：浮點加法器流水線43（2）按照功能分類單功能流水線:只能完成一種固定的功能。實現多種不同功能，可采用多條單功能流水線。多功能流水線多功能流水線是指流水線的各段可以進行不同的連接，在不同時間內或在同一時間內，通過不同連接方式實現不同的功能。44（3）按工作方式分類靜態流水線在某一時刻，只允許一個功能通過流水線單功能流水線一定是靜態流水線靜態多功能流水線從一種功能方式變為另一種，需要先排空流水線。動態流水線允許幾個功能同時通過流水線。動態流水線一定是多功能流水線。45（4）按流水線結構分類線性流水線設過程T被分成m個子過程，可表達為：T={T1，T2，…，Tm}，各子過程之間有一定的優先關系：若i<j，則必須在Ti完成以后，Tj才能開始執行。具有這樣線性優先關系的流水線稱為線性流水線。非線性流水線除有串行連接的通路外，還有反饋回路，某些功能段要反復多次使用。463）衡量流水線性能的主要參數吞吐率、加速比、效率（1）吞吐率TP吞吐率是指單位時間內流水線所完成的任務數量或輸出的結果數量。

n：任務數

Tn：完成n個任務所需的時間。47若流水線包括m個子過程，其中第i個子過程流過對應功能部件的時間為△ti實際吞吐率最大吞吐率148當流水線中各功能段的執行時間不完全相等時，吞吐率主要是由流水線中執行時間最長的那個功能段來決定，這個功能段就成了整個流水線的“瓶頸”。解決瓶頸問題：采取將“瓶頸”部分再細分重復設置瓶頸段，使多個瓶頸段并行工作49設流水線中各功能段的執行時間相等皆為△t最大吞吐率

TPmax=1/△t實際吞吐率

TP=n/[m△t+（n-1）△t]

=TPmax/[1+（m–1）/n]50（2）加速比S加速比是指順序方式完成n個任務所需的時間與采用流水方式后完成n個任務所需的時間之比。設流水線包括m個子過程，且各子過程的執行時間相等，皆為△t，則：

S＝順序完成n個任務所需的時間/流水完成n個任務占用的時間

＝nm△t/[m△t+（n-1）△t]

＝nm/[m+（n-1）]

＝m/[1+（m-1）/n]當n很大時，S＝m，即在理想情況下，流水線處理機的加速比等于流水線所包括的子過程數。51（3）效率E流水線的效率是指流水線各段的設備利用率。E=n個任務占用的時空區/m個流水段的總的時空區

=To/（m·Tn）

To：n個任務占用的時空區即是順序執行n個任務所使用的總的時間

Tn：流水線完成n個任務所用的時間

m·Tn：m段流水線完成n個任務的總的時空區。52設流水線中各功能段的執行時間相等