第８章CPU的結構和功能8.1CPU的結構8.3指令流水8.2指令周期8.4中斷系統8.1CPU的結構一、CPU的功能取指令分析指令執行指令，發出各種操作命令控制程序輸入及結果的輸出總線管理處理異常情況和特殊請求1.控制器的功能2.運算器的功能實現算術運算和邏輯運算指令控制操作控制時間控制數據加工處理中斷二、CPU結構框圖PCIR指令控制操作控制時間控制數據加工處理中斷ALU寄存器中斷系統1.CPU與系統總線CU時序電路寄存器ALU

中斷

系統CUCPU控制總線數據總線地址總線8.12.CPU的內部結構8.1算術和布爾邏輯取反移位狀態標志內部數據總線寄存器CU中斷系統ALU控制信號…CPU1.用戶可見寄存器(1)通用寄存器三、CPU的寄存器存放操作數可作某種尋址方式所需的專用寄存器(2)數據寄存器存放操作數（滿足各種數據類型）兩個寄存器拼接存放雙倍字長數據(3)地址寄存器存放地址，其位數應滿足最大的地址范圍用于特殊的尋址方式段基值棧指針(4)條件碼寄存器存放條件碼，可作程序分支的依據如正、負、零、溢出、進位等8.12.控制和狀態寄存器(1)控制寄存器PC控制CPU操作(2)狀態寄存器狀態寄存器其中MAR、MDR、IR

用戶不可見存放條件碼PSW寄存器存放程序狀態字

PC

用戶可見3.舉例Z80008086MC68000MARMMDRIR8.1四、控制單元CU和中斷系統1.CU產生全部指令的微操作命令序列組合邏輯設計微程序設計硬連線邏輯存儲邏輯2.中斷系統參見第４篇五、ALU參見8.4節參見第６章8.18.2指令周期一、指令周期的基本概念1.指令周期取出并執行一條指令所需的全部時間完成一條指令執行取指、分析取指階段取指周期執行階段執行周期（取指、分析）（執行指令）指令周期取指周期執行周期2.每條指令的指令周期不同取指周期指令周期取指周期執行周期指令周期NOPADDmemMULmem8.2取指周期執行周期指令周期…3.具有間接尋址的指令周期4.帶有中斷周期的指令周期取指周期間址周期指令周期執行周期取指周期間址周期指令周期執行周期中斷周期8.25.指令周期流程取指周期執行周期有間址嗎？有中斷嗎？間址周期中斷周期是是否否8.26.CPU工作周期的標志CPU訪存有四種性質取指令取地址取操作數存程序斷點取指周期間址周期執行周期中斷周期FEDINDDINTDCLK1FE1IND1EX1INTEXDCPU的4個工作周期8.21.取指周期數據流二、指令周期的數據流MDRCUMARPCIR存儲器CPU地址總線數據總線控制總線IR+18.22.間址周期數據流MDRCUMARCPU地址總線數據總線控制總線PCIR存儲器MDR8.23.執行周期數據流4.中斷周期數據流不同指令的執行周期數據流不同MDRCUMARCPU地址總線數據總線控制總線PC存儲器8.28.萄3駕指姿令俘流搜水一、火如何慌提高忌機器精速度1.提高饞訪存恭速度2.提高I/勻O和主求機之誕間的需傳送謝速度提高賠整機遭處理返能力高速隨芯片Ca覽ch第e多體麗并行I/宣O處理嚷機DM勒A多總宗線通道高速辜器件改進碗系統蠟結構，開發睬系統宏的并煙行性中斷3.提高冒運算萌器速蝕度高速永芯片改進雹算法快速慰進位今鏈二、蘇系統抵的并揮行性時間勁上互舅相重焰疊2.咸并行嚴性的塔等級指令蹤蝶級（銳指令瘋之間廉）（指遮令內悲部）過程駕級（四程序荒、進雞程）兩個攻或兩銀個以越上事藥件在同一摘時刻發生兩個祥或兩恢個以鞠上事戶件在同一益時間鎮段發生并行1.懂并爬行的柄概念粗粒東度軟件權實現細粒漫度硬件東實現并發同時8.施3取指令3執行指令3三、熄指令鍛流水怒原理2.施指令抄的二悄級流創水1.性指夢令的良串行虧執行取指至令取指蚊令部騎件完成總有肥一個筆部件空閑指令魯預取若取指和執行階段雄時間藥上完全多重疊指令丙周期減半速度宰提高杏1研倍…執行允指令執行放指令旅部件完成取指令1執行指令1取指令2執行指令2取指令3執行指令3取指令2執行指令2取指令1執行指令18.域3必須譯等上條指令貧執行曲結束授，才鴿能確此定下條指令弓的地細址，造成等時間劫損失3.貴影響循指令嬌流水訂效率劫加倍價的因艘素(1朝)執行遠時間寫>門取廊指時解間(2蛇)條件懶轉移售指令對指許令流壇水的燈影響解決童辦法？取指令部件指令部件緩沖區執行指令部件猜測檔法8.余34.攪指令稅的六罷級流僵水六級躬流水14個時岸間單蘭位串行富執行6×9升＝54個時江間單痛位完成一條喉指令6個時槐間單趁位COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令91234567891011121314t8.耽3指令1與指令4沖突指令2與指令5沖突指令1、指令3、指令6沖突…COFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFICOFOEIWODIFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令8指令91234567891011121314t三、它影響騙指令提流水同線性曾能的愿因素1.拾結構運相關8.蠻3不同園指令酷爭用辛同一饅功能厘部件獸產生炸資源眨沖突程序里的相科近指魔令之略間出哭現某議種關練聯使指前令流難水出庸現停燒頓，慶影響算流水估線效信率解決圖辦法?停頓?指令謀存儲該器和鄉豐數據后存儲程器分劇開?指令包預取餐技術艦（壘適用書于訪裕存周證期短黎的情符況）2.數據丸相關不同丑指令遵因重糧疊操克作，京可能割改變物操作工數的受讀/寫逮訪問啞順序采用旁路遮技術解決謊辦法8.撫3寫后慢讀相腦關（RA歡W）SUBR1，R2，R3ADDR4，R5，R1；（R2）

（R3）R1；（R5）+（R1）R4讀后芝寫相侄關（WA變R）STAM，R2ADDR2，R4，R5；（R2）M存儲單元；（R4）+（R5）R2寫后男寫相猶關（WA局W）后推炕法MULR3，R2，R1SUB

R3，R4，R5；（R2）×

（R1）R3；（R4）（R5）

R33.控制弄相關8.宜3BNE指令必須等CPX指令的結果才能判斷出是轉移還是順序執行LDA#0LDX#0INXCPX#NBNEMDIV#NSTAANSADDX,DM由轉掛移指抱令引域起3.控制仙相關8.沉3WOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOFI指令1指令2指令3指令4指令5指令6指令7指令15指令161234567891011121314轉移損失t設指令3是轉移指令四、糊流水蓄線性攤能1.肅吞吐染率單位絡時間園內流水龜線所謹完成攀指令或輸出楊結果的數量8.輝3最大購吞吐翼率實際治吞吐逼率連續短處理n條指談令的除吞吐觀率為設m

段的流水線各段時間為ΔtTpmax=Δ1tTp=m

·Δ

+(n-1)·

Δ

ntt2.加速伴比Sp8.跳3m段的流水離線的劑速度與等僚功能術的非流內水線米的速疫度之比設流水線各段時間為Δt完成n條指令在m

段流水線上共需

T=m

·

+(n-1)·

ttΔΔ完成n條指令在等效的非流水線上共需

T

′=nm

·tΔSp

=

m

·+(n-1)·

nm·=nmm

+n-1

ΔtΔΔtt

則由于寄流水儲線有建立遙時間和排空啊時間因此鞋各功醒能段積的設備磁不可尿能一直處于工作狀態8.流3流水漢線中查各功仔能段歡的利用翁率3.效率mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT時間S空間空間S4S3S2S1(n-1)Δt8.你3m(m

+n-1)Δt

=mnΔt

流水線各段處于工作時間的時空區流水線中各段總的時空區

效率=3.效率mΔt31245312453124531245………………………………n-1nn-1nn-1nn-1nT時間S空間空間S4S3S2S1(n-1)Δt流水物線中妖各功京能段距的利用鼠率五、距流水挪線的匙多發斜技術1.拌超標丙量技墊術每個蘆時鐘為周期于內可并發賢多條穴獨立偏指令不能鬼調整指令點的執行挑順序配置柴多個筑功能飯部件通過語編譯球優化們技術棗，把船可并糾行執摧行的芬指令冶搭配塊起來8.奪3IFIDEX

WR0123

45

678

910111213時鐘周期指令序列2.掀超流索水線翻技術在一個勺時鐘普周期內再分互段（步3獵段）不能賀調整指令蛛的執行旋順序在一雨個時湖鐘周大期內一個柿功能而部件芬使用襖多次（查3炸次）靠編迎譯程兇序解躺決優哪化問距題流水屠線速衫度是術原來咳速度哄的孤3弟倍8.差3IFIDEXWR0

1

2

345

67

8

9

10111213時鐘周期指令序列3.轎超長摩指令級字技絞術采用多個講處理誤部件具有多個操作碼字段的超長指令字（可達幾百位）由編譯程序挖掘出指令間潛在的并行性，將多條能并行操作的指令組合成一條8.潮3IFIDEXWR012345678910111213時鐘周期指令序列六、襯流水灣線結叼構1.隊指令永流水去線結捎構完成搜一條臘指令濤分7稼段，筆每段瀉需一卻個時遲鐘周雄期若流水描線不欲出現畢斷流1個時仿鐘周禁期出1結果不采肝用流篇水技史術7個時灘鐘周擦期出1結果理想蠅情況挎下，7懼級流陡水的速雀度是占不采陣用流團水技偶術的7揚倍地址形成部件指令譯碼部件取操作數部件取指令部件操作執行部件回寫結果部件修改指令指針部件鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存鎖存8.惑32.葛運算偶流水噴線完成浮點虜加減運算稱可分對階、尾數后求和、規格肝化三段分段未原則儲每妥段操作需時間盡量一致鎖存器對階功能部件第一段尾數加部件鎖存器第二段規格化部件鎖存器第三段8.耗38.蓬4透中斷朱系統一、稠概述1.斧引起壟中斷廁的各裕種因飽素(1塔)昂人為緣瑞設置配的中赴斷(2墓)停程序購性事賀故如轉管宗指令溢出猜、操步作碼掀不能炊識別蜓、除幕法非閉法(5忍)霞外鞭部事棍件(4逝)I/哥O設備(3誤)綿硬指件故離障用鍵盤隔中斷現行份程序轉管指令……管理程序2.委中斷膚系統昂需解形決的梳問題(1紛)戲各羊中斷掠源如何向CP無U提出悄請求？(2依)掃各挽中斷爸源同時提出請求怎么逝辦洋？(5杯)里如葉何尋找門入口旺地址？(4腥)蝦如卵何保護五現場？(3走)CP夫U什么條件、什些么時間、以什唐么方式響應加中斷？(6照)喜如絲式何恢復己現場，如絕何返回？(7跨)穩處依理中扶斷的血過程粥中又出現倚新的兔中斷怎么江辦訊？硬件＋軟件8.畢4二、狹中斷口請求桑標記杏和中豈斷判冬優邏聞輯1.達中斷獄請求驚標記IN申TR一個如請求著源一個IN聰TR中斷查請求禾標記節觸發和器多個IN衣TR組成中斷歇請求泡標記槍寄存浩器IN淋TR分散在各曉個中牽斷源育的接口攤電路習中IN準TR集中在CP縣U的中漫斷系輕統內12345n掉電過熱階上溢主存讀寫校驗錯非法除法鍵盤輸入打印機輸出8.么42.寒中斷躬判優罷邏輯①分散在各魚個中曲斷源歌的接口檢電路喉中陶鏈窗式排總隊器②集中在CP哭U內(1泄)掃硬件嫁實現恒（排語隊器箱）111&1

&1&參見圈第再五章IN儲TR1IN牽TR2IN大TR3IN爹TR4IN衡TR1、IN宅TR2、IN觸TR3、IN半TR4優先漆級按降序排列INTP1INTP2INTP3INTP48.造4A、B晚、C優先離級按降序排列(2炸)宴軟件水實現虧（程繁序查擴詢）否…是否A

請求？是否B

請求？是否C

請求？轉A的服樂務程型序入口摘地址轉B的服狹務程嚼序入口含地址轉C的服破務程脹序入口起地址是是是否否8.允4三、顯中斷牛服務國程序慚入口接地址臥的尋曬找1.甚硬件負向量罰法入口地址200入口地址300入口地址40012H13H14H主存12H13H14HJMP200JMP300JMP400主存向量地址形成部件……中斷向量排隊器輸出向量筆地址12H、全13象H、洲14蔥H入口乘地址20鳴0、妥3尿00幕、負40購08.吹42.母軟施件查建詢法M

JMP1#SR1#D=1轉1#服務程序

SKPDZ2#

JMP2#SR2#D=0跳2#D=1轉2#服務程序

SKPDZ8#

JMP8#SR8#D=0跳8#D=1轉8#服務程序八個中斷源1，2，8按降序排列……8.罩4

SKPDZ1#1#D=0跳（D為完成觸發器）中斷識別程序（入口地址M）地址說明指令四、繞中斷慚響應1.絮響肅應中呈斷的條件允許殘中斷幸觸發仍器EI右NT騙=覆12.滑響餓應中宅斷的時間指令絡執行弱周期鐮結束尺時刻磚由CP滅U發查膽詢信賭號CP卷U中斷姑查詢INTR1DQINTR2DQINTRnDQ中斷源1中斷源2中斷源n…至排數隊器8.筒43.違中漫斷隱泡指令(1紋)乞保護殿程序愉斷點(2跟)次尋找夫服務抵程序皺入口糧地址(3肥)眼硬件關中瞧斷向量地址形成部件INTSQREINTSQRPC

1&≥1排隊器……斷點小存于特定帥地址（班0堆號地飄址）亂內斷點進棧IN憶T中斷途標記EI鑰NT允許狠中斷R–S觸發丙器8.屈4向量地址PC（硬件向量法）中斷識別程序入口地址MPC（軟件查詢法）五、幅保護擇現場魄和恢費復現嚇場1.蘭保湊護現蹄場2.義恢鈴復現投場寄存器內容斷點保護娛現場其它老服務覆程序恢復稠現場中斷肢返回PU迎SH視不封同請樹求源病而定PO協P中斷棋服務埋程序完成中斷服務程序中斷咳隱指栽令完成中斷斗服務好程序完成8.徒4IR茂ET1.薦多替重中梁斷的產概念klmk+1l+1m+1第一次中斷第二次中斷第三次中斷程序開斷點k+1裁,l+1仔,m+1六、丹中斷圈屏蔽塵技術8.票42.斧實現緊多重鉗中斷箭的條蹦件B、CA中斷請求主程把序(2封)優先框級別黨高的中濁斷源有權品中斷飄優先滑級別帆低的中娃斷源(1返)提前設置開中殊斷指令ABCD中斷服務程序（A、B、C、D優先級按降序排列）D8.望4

&3.成屏庫蔽技選術(1吉)樹屏蔽恒觸發她器的啞作用MA濫SK貨=便0身（未屏紐奉蔽）IN暮TR能被基置裕“1翅”

&

&

&

&

1

1

1

1INTP1INTP2INTP3INTP4INTR1INTR2INTR3INTR4MASK1MASK2MASK3MASK4DQ1DINTR

MASKQCPU查詢MA塔SKi=倒1婆（屏蔽冠）IN地TPi=妄0蔥（不能死被排丸隊選曲中）8.營4(2奔)尾屏閘蔽字8.界4

優先級屏蔽字111111111111111101111111111111110011111111111111000111111111111100001111111111110000011111111111…000000000000001100000000000000011234561516…16個中斷源1，2，3，

16按降序排列…(3醬)圖屏財蔽技調術可亦改變火處理鐮優先秀等級響應吉優先載級響應窗優先濤級A→如B→密C→某D降序拐排列8.米4不可沙改變處理罪優先望級可改恥變（獸通過鋒重新召設置低屏蔽普字）中斷源原屏蔽字新屏蔽字ABC