导图社区 408计算机组成原理第五章中央处理器CPU
微程序控制器:组成及工作过程,若指令系统中具有n条机器指令,则控制存储器中的微程序段数至少是n+1(1为取指指令)。
编辑于2022-09-15 21:58:05 山西输入输出系统是计算机系统中的主机与外部进行通信的系统。它由外围设备和输入输出控制系统两部分组成,是计算机系统的重要组成部分。外围设备包括输入设备、输出设备和磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等。从某种意义上也可以把磁盘、磁带和光盘等设备看成一种输入输出设备,所以输入输出设备与外围设备这两个名词经常是通用的。在计算机系统中,通常把处理机和主存储器之外的部分称为输入输出系统,输入输出系统的特点是异步性、实时性和设备无关性。
这是一个关于408 计算机组成原理 第六章总线的思维导图
微程序控制器:组成及工作过程,若指令系统中具有n条机器指令,则控制存储器中的微程序段数至少是n+1(1为取指指令)。
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输入输出系统是计算机系统中的主机与外部进行通信的系统。它由外围设备和输入输出控制系统两部分组成,是计算机系统的重要组成部分。外围设备包括输入设备、输出设备和磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等。从某种意义上也可以把磁盘、磁带和光盘等设备看成一种输入输出设备,所以输入输出设备与外围设备这两个名词经常是通用的。在计算机系统中,通常把处理机和主存储器之外的部分称为输入输出系统,输入输出系统的特点是异步性、实时性和设备无关性。
这是一个关于408 计算机组成原理 第六章总线的思维导图
微程序控制器:组成及工作过程,若指令系统中具有n条机器指令,则控制存储器中的微程序段数至少是n+1(1为取指指令)。
中央处理器【CPU】
功能和基本结构
功能
指令控制
完成取指令、分析指令、和执行指令的操作,即程序的顺序控制
操作控制
时间控制
数据加工
中断处理
CPU的基本结构
运算器
算术逻辑单元【ALU】
进行算术、逻辑运算
暂存寄存器
暂存从主存中读来的数据
累加寄存器
暂时存放ALU运算的结果信息
通用寄存器组
用于存放操作数和各种地址信息,位数与机器字长相等
程序状态字寄存器【PSW】
保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息, 如溢出标志(OP)、符号标志(SF)、零标志、(ZF)、进位标志 (CF)等 PSW 中的这些位参与并决定微操作的形成
移位器
对操作数或运算结构进行移位运算
计数器
控制器
程序计数器【PC】
存放下一条要执行的指令的地址
因程序中指令(通常)是顺序执行的,所以 PC 有自增功能
指令寄存器【IR】
:用于保存当前正在执行的那条指令
指令译码器
仅对操作码字段进行译码,向控制器提供特定的操作信号
存储器地址寄存器【MAR】
用于存放所要访问的主存单元的地址
存储器数据寄存器【MDR】
用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息
时序系统
用于产生各种时序信号,它们都是由统一时钟(CLOCK)分频得到
微操作信号发生器
根据 IR 的内容(指令)、 PSW 的内容 (状态信息)及时序信号, 产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号
CPU中的寄存器
用户可见的寄存器
通用寄存器组
程序状态字寄存器【PSWR】
程序计数器【PC】
累加寄存器【ACC】
用户不可见的寄存器
指令寄存器【IR】
暂存寄存器【DR】
存储器地址寄存器【MAR】
存储器数据寄存器【MDR】
指令执行过程
指令周期
CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间,即CPU完成一条指令的时间
指令周期的数据流
取值周期
IF
控制器固有功能,由硬件自动完成,不需要在操作码控制下完成
间址周期
IND
执行周期
EX
中断周期
2. CU发出控制信号,启动主存进行写操作 记做1->W
3. 将断电(PC的内容)送入MDR 记做 (PC)->MDR
4. CU控制将中断服务程序的入口地址送到PC 记做 向量地址->PC
INT
指令执行方案
单指令周期
对所有指令都选用相同的执行时间来完成,指令之间串行执行
多指令周期
对不用类型的指令选用不同的执行步骤来完成,指令之间串行执行
流水线方案
指令之间并行执行
数据通路的功能和基本结构
功能
实现CPU内部的运算器与寄存器之间的数据交换
基本结构
CPU内部单总线方式
将所有寄存器的输入和输出端连接到一条公共通路上
CPU内部三总线方式
将所有寄存器的输入和输出端连接到多条公共通路上
专用数据通路方式
根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路
控制器的功能和工作原理
控制器部件从数据总线接收指令信息,从运算器部件接收指令转移地址, 送出指令地址到地址总线,还要向系统中的部件提供它们运行所需要的控制信号。
功能
从主存中取出一条指令,并指出下一条指令在主存中的位置
对指令进行移码或测试,产生相应的操作控制信号,以便启动规定的动作
指挥并控制CPU、主存、输入和输出设备之间的数据流向
分类
硬布线控制器
取值周期微操作命令
间址周期的微操作命令
执行周期的微操作命令
非访存指令
访存指令
转移指令
微程序控制器
基本概念
微命令
将控制部件向执行部件发出的各种控制命令称为微命令,它是构成控制序列的最小单位
分类
相容性微命令
可以同时产生、共同完成一些微操作的命令
互斥性微命令
在机器中不允许同时出现的微命令
微指令
若干微命令的集合
微操作
微操作是微命令的执行过程
组成及工作过程
一条指令对应一个微程序
若指令系统中具有n条机器指令,则控制存储器中的微程序段数至少是n+1(1为取指指令)
不考虑间指和中断周期微程序
微地址的地址形成方式
直接由微指令的下地址字段指出
根据机器指令操作码形成
增量计数器法
分之转移
测试网络
由硬件直接产生
微指令的格式
水平型微指令
一条水平型指令定义并执行集中并行的基本操作
优点:速度快,微程序短;
缺点:微指令长,编写微程序麻烦
垂直型微指令
一条垂直型指令定义并执行一种基本操作
优点:微指令短,编写程序简单
缺点:速度慢,微程序长
混合型微指令
微指令的编码方式
直接编码方式
字段直接编码方式
字段间接编码方式
CPU控制方式
同步控制
同一时钟信号
异步控制
各部件有自己的始终信号
联合控制方式
对比
指令流水线
五段流水线过程
运算类指令
LOAD指令
STORE指令
无条件转移指令
条件转移指令
指令流水线的定义
顺序执行方式
T=3nt
一次重叠执行方式
T=(1+2n)t
二次重叠执行方式
T=(2+n)t
时空图法
子主题
影响流水线的因素
结构相关(资源冲突)
多条指令在同一时刻争用同一资源而形成的冲突
解决方法
前一指令访存时,使后一条相关指令(以及其后续指令)暂停一个时钟周期。
单独设置数据存储器和指令存储器,使两项操作各自在不同的存储器中进行,这属于资源重复配置。
数据相关(数据冲突)
数据相关指在一个程序中,存在必须等前一条指令执行完才能执行后一条指令的情况,则这 两条指令即为数据相关。当多条指令重叠处理时就会发生冲突
读后写与写后写会出现问题
指令流水线按序流动时,只可能出现写后读(RAW)
解决方法
数据旁路技术
设置相关专用通路,即不等前一条指令把计算结果写回寄存器组,下一条指令也不再读寄存器组, 而是直接把前一条指令的 ALU 的计算结果作为自己的输入数据开始计算过程,使本来需要暂停的操作变得可以继续执行
把遇到数据相关的指令及其后续指令都暂停一至几个时钟周期,直到数据相关问题消失后再继续执行 可分为硬件阻塞(stall)和软件插入“NOP”指令两种方法
通过编译器对数据相关的指令编译优化的方法,调整指令顺序来解决数据相关
控制相关
当流水线遇到转移指令和其他改变 PC 值的指令而造成断流时,会引起控制相关
解决办法
对转移指令进行分支预测,尽早生成转移目标地址
预取转移成功和不成功两个控制流方向上的目标指令
加快和提前形成条件码
提高转移方向的猜准率
流水线的性能指标
吞吐率【TP】
n 是任务数 Tk是处理完成 n 个任务所用的时间
▲t为时钟周期
加速比
完成同样一批任务,不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比。
T0表示不使用流水线时的执行时间,即顺序执行所用的时间 Tk表示使用流水线时的执行时间
效率
超标量流水线
超标量流水线技术
每个时钟周期内可并发多条独立指令,即以并行操作方式将两条或多条指令编译并执行,为此需配置多个功能部件。
空分复用技术
CPI<1
超流水线技术
在一个时钟周期内再分段,在一个时钟周期内一个功能部件使用多次
时分复用技术
CPI=1
超长指令字
将多条能并行操作的指令组合成一条具有多个操作 码字段的超长指令字
多处理器基本概念