1、復(fù)習(xí)思考題161.一段機(jī)器指令組成的程序可由一個微程序來完成。（ ）2.在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，其核心是_。它是用來存放它是用來存放_的。的。按存儲器的存取方式分，它屬于按存儲器的存取方式分，它屬于_存儲器。存儲器。3.計(jì)算機(jī)采用微程序控制器是為了提高速度。( )4.取指周期的微操作與指令的操作碼無關(guān)。（ ）5.假設(shè)某計(jì)算機(jī)共有100個微命令，若用直接控制法直接控制法，微指令的操作控制字段要有，微指令的操作控制字段要有_位；位；最短編碼法最短編碼法，則操作控制字段需要，則操作控制字段需要_位；位；字段直接編碼法字段直接編碼法，若，若3位為一段，則操作控制字段為位為一段，則操作控制字段為_位位。

2、第六章 中央處理器6.1 中央處理器的功能和組成6.2 控制器的組成和實(shí)現(xiàn)方法6.3 時序系統(tǒng)與控制方式6.4 微程序控制原理6.6 流水線技術(shù)6.7 精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)6.8 微處理器中的新技術(shù)6.6.1 重疊控制n重疊方式n在解釋第在解釋第K條指令的操作完成之前，就可開始條指令的操作完成之前，就可開始解釋第解釋第K+1條指令。條指令。n重疊方式并不能加快一條指令的實(shí)現(xiàn)，但能加重疊方式并不能加快一條指令的實(shí)現(xiàn)，但能加快相鄰兩條指令以至一段程序的執(zhí)行快相鄰兩條指令以至一段程序的執(zhí)行n重疊越多，速度越快。重疊越多，速度越快。取指取指K+2分析分析K+2 執(zhí)行執(zhí)行K+2取指取指K+1分析分析K+1

3、 執(zhí)行執(zhí)行K+1取指取指K分析分析K執(zhí)行執(zhí)行Kt重疊部分重疊部分K：K+1：K+2：重疊控制中出現(xiàn)的問題及解決1n設(shè)備利用沖突問題n訪存沖突訪存沖突n 在內(nèi)存中在內(nèi)存中設(shè)置兩個存儲器設(shè)置兩個存儲器，獨(dú)立編址，分，獨(dú)立編址，分別存放指令和數(shù)據(jù)別存放指令和數(shù)據(jù)哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)。n 采用采用多體交叉存儲器結(jié)構(gòu)多體交叉存儲器結(jié)構(gòu)，只要不是同時，只要不是同時在同一存儲體內(nèi)取指、取數(shù)，就可避免沖突。在同一存儲體內(nèi)取指、取數(shù)，就可避免沖突。取指取指K+1分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+1取指取指K分析分析K執(zhí)行執(zhí)行KtK：K+1：重疊控制中出現(xiàn)問題及解決1n設(shè)備利用沖突問題n設(shè)備利用沖突設(shè)備利用沖突n設(shè)置設(shè)置指

4、令緩沖器（指令預(yù)取隊(duì)列）指令緩沖器（指令預(yù)取隊(duì)列），預(yù)先把，預(yù)先把未執(zhí)行的指令由主存取到指令緩沖器。這樣未執(zhí)行的指令由主存取到指令緩沖器。這樣“取指取指K+1”只是從指令緩沖器只是從指令緩沖器中取出中取出，不，不用訪存，避免沖突。用訪存，避免沖突。取指取指K+1分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+1取指取指K分析分析K執(zhí)行執(zhí)行KtK：K+1：分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+1分析分析K執(zhí)行執(zhí)行K無沖突無沖突重疊控制中出現(xiàn)的問題2n遇到條件轉(zhuǎn)移指令時n因條件的建立一般都是在前一條指令結(jié)束時，因條件的建立一般都是在前一條指令結(jié)束時，所以下一條將要執(zhí)行哪條指令是不確定的。所以下一條將要執(zhí)行哪條指令是不確定的。n

5、若轉(zhuǎn)移成功，則按原順序預(yù)取的指令就可能無若轉(zhuǎn)移成功，則按原順序預(yù)取的指令就可能無效，并且，重疊部分越多越嚴(yán)重。效，并且，重疊部分越多越嚴(yán)重。取指取指P分析分析P執(zhí)行執(zhí)行P取指取指K+1分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+1取指取指K分析分析K執(zhí)行執(zhí)行KtK：K+1：P：.條件轉(zhuǎn)移指令條件轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移不成功時轉(zhuǎn)移不成功時轉(zhuǎn)移成功時轉(zhuǎn)移成功時重疊控制中出現(xiàn)問題的解決2n遇到條件轉(zhuǎn)移指令時n將重疊執(zhí)行改為順序執(zhí)行將重疊執(zhí)行改為順序執(zhí)行n即此時重疊執(zhí)行的是即此時重疊執(zhí)行的是空操作空操作，以等待上一條指，以等待上一條指令條件的建立。令條件的建立。n此時的執(zhí)行效率會大大降低。此時的執(zhí)行效率會大大降低。等等 待待

6、等等 待待取指取指P分析分析P執(zhí)行執(zhí)行P取指取指K分析分析K執(zhí)行執(zhí)行KtK：P：條件轉(zhuǎn)移指令條件轉(zhuǎn)移指令重疊控制中出現(xiàn)的問題3n數(shù)相關(guān)問題n設(shè)設(shè)M為內(nèi)存變量，為內(nèi)存變量，Ri為寄存器，分析下面操作為寄存器，分析下面操作 R1+R2 M M R3 R4 n若第若第K+1條指令的操作數(shù)地址即為第條指令的操作數(shù)地址即為第K條指令條指令保存結(jié)果的地址時，會產(chǎn)生保存結(jié)果的地址時，會產(chǎn)生數(shù)相關(guān)問題數(shù)相關(guān)問題。取指取指K+1分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+1取指取指K分析分析K執(zhí)行執(zhí)行KtK：K+1：重疊控制中出現(xiàn)問題的解決3n數(shù)相關(guān)問題n設(shè)設(shè)M為內(nèi)存變量，為內(nèi)存變量，Ri為寄存器，分析下面操作為寄存器，分析下

7、面操作 R1+R2 M M R3 R4 n可采用可采用等待操作等待操作或設(shè)置或設(shè)置數(shù)相關(guān)專用通路數(shù)相關(guān)專用通路：直接：直接從從ALU的輸出口取的輸出口取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。取指取指K+1分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+1取指取指K分析分析K執(zhí)行執(zhí)行KtK：K+1：取指取指K+1等等 待待分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+16.6.2 先行控制原理n 設(shè)每次都可以在指令緩沖器中取指令，則取指階段可合并到中。n執(zhí)行n條指令 所需時間為：分析分析K執(zhí)行執(zhí)行K分析K+1執(zhí)行K+1分析K+2執(zhí)行K+2分析分析K+3執(zhí)行執(zhí)行K+3t1t2t3nniiittttT執(zhí)行21執(zhí)行分析1分析,maxt由于由于“分析分析”與與“執(zhí)行

8、執(zhí)行”的的時間各不相同，各時間各不相同，各階段階段控制控制部件出現(xiàn)部件出現(xiàn)間斷間斷等待等待現(xiàn)象現(xiàn)象先行控制原理n 為使各階段專用控制部件不間斷工作，提出先行控制的方式，以提高的設(shè)備利用率及執(zhí)行速度。n執(zhí)行n條指令 所需時間為：分析分析K執(zhí)行執(zhí)行K分析K+1執(zhí)行K+1分析K+2執(zhí)行K+2t1t2t3分析K+3執(zhí)行K+3tniittT2執(zhí)行1分析一條指令的解釋過程分解為一條指令的解釋過程分解為“分分析析”、“執(zhí)行執(zhí)行”兩個子過兩個子過6.6.3 流水工作原理n流水流水處理處理技術(shù)技術(shù)是是在在重疊、先行控制方式重疊、先行控制方式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它基于重疊的原理，但卻是在更高程

9、度上的重疊。它基于重疊的原理，但卻是在更高程度上的重疊。n流水的概念分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+1分析分析K執(zhí)行執(zhí)行KtK：K+1：一條指令的解釋過程分解為一條指令的解釋過程分解為“分分析析”、“執(zhí)行執(zhí)行”兩個子過程兩個子過程可并行執(zhí)行可并行執(zhí)行一條指令的解釋過程分解為一條指令的解釋過程分解為“分分析析”、“執(zhí)行執(zhí)行”兩個子過兩個子過流水控制方式n流水的概念分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+1分析分析K執(zhí)行執(zhí)行KtK：K+1：一條指令的解釋過程分解為一條指令的解釋過程分解為“分分析析”、“執(zhí)行執(zhí)行”兩個子過程兩個子過程n若將這兩個子過程分別用獨(dú)立部若將這兩個子過程分別用獨(dú)立部件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)每個子過程都

10、件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)每個子過程都需要需要 t1時間時間n則就一條指令來看，需要則就一條指令來看，需要T=2 t1n但從機(jī)器輸出來看，每但從機(jī)器輸出來看，每隔隔 t1完成完成一指令的解釋。一指令的解釋。可并行執(zhí)行可并行執(zhí)行一條指令的解釋過程分解為一條指令的解釋過程分解為“分析分析”、“執(zhí)行執(zhí)行”兩個子程兩個子程流水控制方式n流水的概念分析分析K+1 執(zhí)行執(zhí)行K+1分析分析K執(zhí)行執(zhí)行KtK：K+1：一條指令的解釋過程分解為一條指令的解釋過程分解為“分分析析”、“執(zhí)行執(zhí)行”兩個子過程兩個子過程n機(jī)器吞吐率機(jī)器吞吐率TP 單位時間內(nèi)機(jī)器所能處理的指單位時間內(nèi)機(jī)器所能處理的指令數(shù)或是機(jī)器能輸出的結(jié)果數(shù)量令數(shù)或是

11、機(jī)器能輸出的結(jié)果數(shù)量n串行執(zhí)行時，串行執(zhí)行時，TP1=1/(2 t1)n重疊執(zhí)行時，重疊執(zhí)行時，TP2=1/ t1nTP2=2TP1 ，吞吐率為原來的兩倍吞吐率為原來的兩倍可并行執(zhí)行可并行執(zhí)行流水控制方式n 若將“分析”子過程再分解成“取指令”、“指令譯碼”和“取操作數(shù)”子過程，并改進(jìn)運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)以加快其“執(zhí)行”子過程，則可構(gòu)成下面的解釋過程：n若這四個子過程分別若這四個子過程分別用獨(dú)立部件實(shí)現(xiàn)，并且用獨(dú)立部件實(shí)現(xiàn)，并且每個子過程都每個子過程都需要需要 t2n則就一條指令來看，則就一條指令來看，需要需要T=4 t2n但從機(jī)器輸出來看，但從機(jī)器輸出來看，每每隔隔 t2完成一指令的完成一指令的解釋

12、。解釋。nTP2=1/ t2流水控制方式n 流水線n將復(fù)雜的處理過程將復(fù)雜的處理過程分為分為時間大致時間大致相同、復(fù)雜程度相當(dāng)相同、復(fù)雜程度相當(dāng)?shù)牡亩喽鄠€子過程個子過程，每個子過程由一個獨(dú)立的功能部件來，每個子過程由一個獨(dú)立的功能部件來完成，完成，處理對象在各子過程連成的線路上連續(xù)處理對象在各子過程連成的線路上連續(xù)流動。流動。在同一時間，多個部件同時進(jìn)行不同的操作，完成對在同一時間，多個部件同時進(jìn)行不同的操作，完成對不同子過程的處理。不同子過程的處理。n各子過程間順序各子過程間順序執(zhí)行，但對執(zhí)行，但對多個處理對象而言多個處理對象而言，各子各子過程間過程間重疊重疊執(zhí)行執(zhí)行。21實(shí)際tnTnTP)

13、(T=4 t2TtTPTPn412limmax流水線的分類按處理級別分n 操作部件級n將復(fù)雜的將復(fù)雜的算邏運(yùn)算算邏運(yùn)算組成流水線工作方式組成流水線工作方式n 指令級n將將指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程分成多個子過程分成多個子過程n 處理機(jī)級n由由2個處理機(jī)通過存儲器串行連接起來，每個處理機(jī)對同個處理機(jī)通過存儲器串行連接起來，每個處理機(jī)對同一數(shù)據(jù)流的不同部分分別進(jìn)行處理。一數(shù)據(jù)流的不同部分分別進(jìn)行處理。處理機(jī)處理機(jī)1處理機(jī)處理機(jī)2處理機(jī)處理機(jī)n1存儲器存儲器2存儲器存儲器n存儲器存儲器輸輸入入輸輸出出處理機(jī)級流水線（宏流水線）處理機(jī)級流水線（宏流水線）流水線的分類按功能分n單功能流水結(jié)構(gòu)n只能完成一種

14、功只能完成一種功能的流水處理能的流水處理n多功能流水結(jié)構(gòu)n同一流水結(jié)構(gòu)可同一流水結(jié)構(gòu)可完成多種功能的完成多種功能的流水處理流水處理流水線的分類按工作方式分n靜態(tài)流水結(jié)構(gòu)n同一時間只能同一時間只能完成一種運(yùn)算完成一種運(yùn)算n動態(tài)流水結(jié)構(gòu)n同一時間可完同一時間可完成不同種運(yùn)算成不同種運(yùn)算輸入減階對階移位相加規(guī)格化相乘累加輸出輸入減階對階移位相加規(guī)格化相乘累加輸出指令流水線的相關(guān)性n指令流水線的相關(guān)性包括n結(jié)構(gòu)相關(guān)結(jié)構(gòu)相關(guān)(資源相關(guān)資源相關(guān))n同一時刻爭奪同一資源而形成的同一時刻爭奪同一資源而形成的沖突沖突。n數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)n后續(xù)指令要使用前面指令的操作結(jié)果，而這后續(xù)指令要使用前面指令的操作結(jié)果，而

15、這一結(jié)果尚未產(chǎn)生或未送到指定的位置，造成一結(jié)果尚未產(chǎn)生或未送到指定的位置，造成后續(xù)指令無法后續(xù)指令無法運(yùn)行運(yùn)行。n控制相關(guān)控制相關(guān)n主要是由轉(zhuǎn)移指令引起主要是由轉(zhuǎn)移指令引起的相關(guān)的相關(guān)。6.7 RISC與CISC的特點(diǎn)和優(yōu)勢比較比較內(nèi)容比較內(nèi)容CISCRISC指令總數(shù)指令總數(shù) 200條條 4種種 23種種 基本尋址方式基本尋址方式 4種種 4種種 各種指令執(zhí)行時間各種指令執(zhí)行時間相差很大相差很大絕大多數(shù)在單周期內(nèi)完成絕大多數(shù)在單周期內(nèi)完成控制器實(shí)現(xiàn)方式控制器實(shí)現(xiàn)方式微程序控制微程序控制組合邏輯控制組合邏輯控制指令字長指令字長不固定不固定等長等長可訪存的指令可訪存的指令不加限制不加限制取數(shù)、存數(shù)

16、指令取數(shù)、存數(shù)指令各種指令使用頻率各種指令使用頻率相差很大相差很大相差不大相差不大優(yōu)化編譯實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編譯實(shí)現(xiàn)很難很難較容易較容易程序源代碼長度程序源代碼長度較短較短較長較長CPU中通用寄存器中通用寄存器32個個(甚至甚至1000個個) CISC和RISC的比較n 設(shè)程序的總執(zhí)行時間 = ICTnI 程序中的指令總數(shù)程序中的指令總數(shù)nC平均指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)平均指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)nT 每個時鐘周期的時間每個時鐘周期的時間n 不同種類機(jī)器減少 的措施nCISCI C nRISCC I n RISC不僅是要不僅是要簡化指令系統(tǒng)簡化指令系統(tǒng)，而且要通過簡化指令系統(tǒng)而，而且要通過簡化指令系統(tǒng)而

17、使計(jì)算機(jī)的使計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)變得簡單合理硬件結(jié)構(gòu)變得簡單合理，以提高運(yùn)算速度，以提高運(yùn)算速度，最最有效的辦法是減少指令的執(zhí)行周期數(shù)。有效的辦法是減少指令的執(zhí)行周期數(shù)。ICTRISC1.21.4 1.31.71CISC14 101根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)折算下來，根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)折算下來，RISC的處理速度要比相同的處理速度要比相同規(guī)模的規(guī)模的CISC提高提高35倍。倍。6.7.2 RISC 的基本技術(shù)nRISC寄存器管理技術(shù)nRISC為減少訪存操作，在為減少訪存操作，在CPU芯片上芯片上設(shè)置大量設(shè)置大量通用寄存器通用寄存器以保存常用數(shù)據(jù)。以保存常用數(shù)據(jù)。n采用采用重疊寄存器窗口技術(shù)重疊寄存器窗口技術(shù)以提高過程

18、轉(zhuǎn)換速度。以提高過程轉(zhuǎn)換速度。n流水線技術(shù)n由于每條指令功能簡單，由于每條指令功能簡單，CU用用組合邏輯方式組合邏輯方式實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)由于程序增長，用流水線技術(shù)來進(jìn)一步提速。由于程序增長，用流水線技術(shù)來進(jìn)一步提速。n延時轉(zhuǎn)移技術(shù)n在流水線遇到在流水線遇到條件轉(zhuǎn)移指令條件轉(zhuǎn)移指令時，采用時，采用延遲轉(zhuǎn)移法延遲轉(zhuǎn)移法或或優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移法優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移法來節(jié)省時間。來節(jié)省時間。6.8 微處理器中的新技術(shù)基本流水線基本流水線6.8.1 超標(biāo)量和超流水線技術(shù)超標(biāo)量流水線超標(biāo)量流水線超流水線超流水線改善指令流水線的途徑依賴依賴空間空間并行度，要求并行度，要求芯片為有芯片為有更高集成度更高集成度的的半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材

19、料超標(biāo)量流水線超標(biāo)量流水線超流水線超流水線依賴于依賴于時間時間并行度，要并行度，要求求更快更快的半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料n 目前提高速度比提高集成度更難，使超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)目前提高速度比提高集成度更難，使超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速。發(fā)展迅速。n 超標(biāo)量實(shí)際上是并行處理思想在微處理器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用超標(biāo)量實(shí)際上是并行處理思想在微處理器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。Pentium 超標(biāo)量流水線n 預(yù)取預(yù)取(PF) 指令緩存取一指令，存入預(yù)取緩沖區(qū)指令緩存取一指令，存入預(yù)取緩沖區(qū)n 譯碼譯碼1(D1)譯碼指令確認(rèn)它的操作碼及尋址方式譯碼指令確認(rèn)它的操作碼及尋址方式n 譯碼譯碼2(D2)計(jì)算并產(chǎn)生存儲器操作數(shù)地址計(jì)算并產(chǎn)生存

20、儲器操作數(shù)地址n 執(zhí)行執(zhí)行 (EX)完成指令指定的運(yùn)算完成指令指定的運(yùn)算n 寫回寫回 (WB)將計(jì)算結(jié)果送往目的地，將計(jì)算結(jié)果送往目的地， 并標(biāo)上標(biāo)志。并標(biāo)上標(biāo)志。U、V共享共享D1D1D1D1PF PFPFPFEXEXEXEXD2D2D2D2WBWBWBWBPentium 超標(biāo)量流水線n 超標(biāo)量流水線n它是它是Pentium系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心。結(jié)構(gòu)的核心。n由由U、V兩條兩條指令指令流水線流水線構(gòu)成，每條構(gòu)成，每條流水線都有自己的流水線都有自己的ALU、地址生成電、地址生成電路和與路和與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)cache的接口。的接口。n U、V兩條兩條指令流水線指令流水線可使兩條指令并行執(zhí)行，在每個時鐘可

21、使兩條指令并行執(zhí)行，在每個時鐘周期內(nèi)同時執(zhí)行兩條指令。周期內(nèi)同時執(zhí)行兩條指令。6.8.3 超線程技術(shù)n 線程n是是程序執(zhí)行的基本原子單位，一個程序執(zhí)行的基本原子單位，一個進(jìn)程進(jìn)程可以由多個線程可以由多個線程組成組成。n 超線程技術(shù)n將將一個物理一個物理CPU當(dāng)作當(dāng)作兩個邏輯兩個邏輯CPU使用，使使用，使CPU可同可同時執(zhí)行多重線程（多條指令）。時執(zhí)行多重線程（多條指令）。n 超線程技術(shù)的特點(diǎn)n當(dāng)當(dāng)?shù)谝粋€邏輯處理器第一個邏輯處理器跟蹤一個軟件線程時跟蹤一個軟件線程時，第二個邏輯第二個邏輯處理器處理器也開始對另外一個軟件線程進(jìn)行跟蹤；也開始對另外一個軟件線程進(jìn)行跟蹤；n為避免為避免CPU處理資源沖

22、突，負(fù)責(zé)處理第二個線程的那處理資源沖突，負(fù)責(zé)處理第二個線程的那個邏輯處理器個邏輯處理器僅使用運(yùn)行第一個線程時空閑的資源僅使用運(yùn)行第一個線程時空閑的資源；n大大提高處理器內(nèi)資源的利用率和數(shù)據(jù)、指令吞吐率。大大提高處理器內(nèi)資源的利用率和數(shù)據(jù)、指令吞吐率。6.8.4 雙核與多核技術(shù)n雙核處理器n指一個處理器上集成了兩個獨(dú)立的運(yùn)算核心。指一個處理器上集成了兩個獨(dú)立的運(yùn)算核心。n雙核處理器的特點(diǎn)雙核處理器的特點(diǎn)n雙核處理器的效率比單核約提高雙核處理器的效率比單核約提高60%，n它的優(yōu)勢在于多線程應(yīng)用它的優(yōu)勢在于多線程應(yīng)用nPentium D 采用采用 雙核單線程技術(shù)雙核單線程技術(shù)CPU核核和和L1 cacheCPU核核和和L1 cache總線接口總線接口和和L2 cache雙核雙核CPU芯片芯片超線程技術(shù)與雙核技術(shù)的比較超線程技術(shù)雙核技術(shù)物理處理器數(shù)目物理處理器數(shù)目12邏輯處理器數(shù)目邏輯處理器數(shù)目22同時執(zhí)行線程數(shù)同時執(zhí)行線程數(shù)22執(zhí)行多個線程時，執(zhí)行執(zhí)行多個線程時，執(zhí)行單元、寄存器、緩存、單元、寄存器、緩存、總路線接口單元等部件總路線接口單元等部件多個線程多個線程共用共用每個核心均有其每個核心均有其獨(dú)立