第五章中央处理器2-2

15.4.3微程序控制器原理框图（1）控制存储器(只读存储器CM)用来存放全部指令系统的微程序。（2）微指令寄存器用来存放控制存储器CM读出的一条微指令信息（3）地址转移逻辑完成自动完成修改微程序的任务2图5.24微程序控制器组成原理图3十进制加法调整指令的实现5.4.5微程序举例45.4.5CPU周期和微指令周期的关系图5.26CPU周期与微指令周期的关系55.4.6机器指令与微指令关系一条机器指令对应一个微程序，该微程序是由若干条微指令序列组成的。指令和程序与内存储器有关，微指令与微地址和控制存储器有关。6设计微指令结构的目标是：（1）有利于缩短微指令字长度；（2）有利于减小控制存储器的容量；（3）有利于提高微程序的执行速度；（4）有利于对微指令的修改；（5）有利于提高微程序设计的灵活性。5.5微程序设计技术75.5.1微命令编码微命令编码：对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。微指令编码的三种方法：（1）直接表示法（2）编码表示法（3）混合表示法8特点操作控制字段中的每一位代表一个微命令。优点：简单直观，其输出直接用于控制。缺点微指令字较长，因而使控制存储器容量较大。（1）直接表示法9编码表示法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进行译码译码输出作为操作控制信号。（2）编码表示法10优点字段译码控制法可使微指令字大大缩短。缺点由于增加译码电路，使微程序的执行速度稍稍减慢。译码译码译码微命令….….….P1P2Pn….字段1字段2……P字段下一个微地址顺序控制顺序控制图5.30段直接译码法11混合表示法：把直接表示法与字段编码法混合使用，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。在微指令中可附设一个常数字段。该常数可作为操作数送入ALU运算，也可作为计数器初值用来控制微程序循环次数。（3）混合表示法125.5.2微地址的形成产生后继微地址的两种方法（1）计数器方式（2）多路转移方式13基本特点：①微指令的顺序控制字段较短；②微地址产生机构简单；③多路并行转移功能较弱；④速度较慢；⑤灵活性较差。1.计数器方式14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①能以较短的顺序控制字段配合，实现多路并行转移；②灵活性好，速度较快；③转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。2．多路转移方式15【例3】微地址寄存器有6位（μA5－μA0），当需要修改其内容时，可通过某一位触发器的强置端S将其置“1”。现有三种情况：（1）执行“取指”微指令后，微程序按IR的OP字段（IR3－IR0）进行16路分支；（2）执行条件转移指令微程序时，按标志C的状态进行路分支；（3）执行控制台指令微程序时，按IR4，IR5的状态进行4路分支。请按多路转移方法设计微地址转移逻辑。解：按所给设计条件，微程序有三种判别测试，分别为P1，P2，P3。由于修改μA5－μA0的内容具有很大灵活性，现分配如下：16（1）用P1和IR3－IR0修改μA3－μA0；（2）用P2和C修改μA0；（3）用P3和IR5，IR4修改μA5,μA4。另外，还要考虑到时间因素T4（假设CPU周期最后一个节拍脉冲），故转移逻辑表达式如下：μA5＝P3·IR5·T4μA4＝P3·IR4·T4μA3＝P1·IR3·T4μA2＝P1·IR2·T4μA1＝P1·IR1·T4μA0＝P1·IR0·T4＋P2·C·T4由于从触发器强置端修改，故前5个表达式可用“与非”门实现，最后一个用“与或非”门实现。17微指令的格式分成两类：水平型微指令垂直型微指令5.5.3微指令格式18水平行微指令一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令1．水平型微指令水平型微指令的一般格式：控制字段判别测试字段下地址字段19水平型微指令分为三种：全水平型（不译法）字段译码法水平型直接和译码相混合的水平型20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，由微操作码规定微指令的功能。2.垂直型微指令特点结构类似于机器指令的结构每条微指令功能简单21功能把源寄存器数据送目标寄存器。(1)寄存器－寄存器传送型微指令源寄存器编址目标寄存器编址其他0001513128732022功能选择ALU的左、右两输入源信息，按ALU字段所指定的运算功能（8种操作）进行处理，并将结果送入暂存器中。左、右输入源编址可指定31种信息源之一。(2)运算控制型微指令右输入源编址ALU00115131287320左输入源编址23寄存器编址存储器编址读写01015131287321其他0功能将主存中一个单元的信息送入寄存器或者将寄存器的数据送往主存。(3)访问主存微指令24D测试条件001151312430功能依测试对象的状态决定是转移到D所指定的微地址单元，还是顺序执行下一条微指令。(4)条件转移微指令25(1)水平型并行操作能力强，效率高，灵活性强垂直型微指令则较差;(2)水平型微指令执行指令时间短，垂直型微指令执行时间长;(3)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;(4)水平型微指令用户难以掌握，垂直型微指令相对较易掌握。3.水平型微指令与垂直型微指令比较26微程序设计技术静态微程序设计动态微程序设计5.5.4动态微程序设计静态微程序设计对应于一台计算机的机器指令只有一组微程序，微程序设计好之后，不好改变，这种微程序设计技术称为静态微程序设计。27动态微程序设计当采用EPROM作为控制存储器时，可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计。28传统CPU1、M6800CPU地址缓冲寄存器（高）程序计数器（高位）堆栈指示器（高位）变址寄存器（高位）地址缓冲寄存器（低）程序计数器（低位）堆栈指示器（低位）变址寄存器（低位）累加器（A）累加器（B）状态码寄存器ALU（8位）数据缓冲寄存器指令寄存器操作控制器A15----A8A7----A0D7----D0允许使用数据总线状态控制复位非屏蔽中断停机中断请求时钟φ1时钟φ2总线有效读/写有效存储地址29INTEL8088CPU4321总线接口ESCSSSDSIPB-BUS∑操作控制器总线接口单元BIUAHALBHBLCHCLDHDLSPBPSIDI状态标志A-BUSALUPSWC-BUS执行单元EU控制总线锁存器地址总线数据总线30IBM37016个32位通用寄存器4个64位浮点寄存器定点算术部件十进算术部件浮点算术部件内部总线ARIRIRDR操作控制器存储控制部件…程序状态字到主存储器315.7典型的CPU1982年1月Intel公司推出80286。它采用6引线的四列直插式封装。它具有独立的16条数据线和24条地址线。芯片上集成13.5万个晶体管。3233Intel80386可以处理32位字长的数据它采用CISC结构。最高工作频率为40Mhz它有32位寄存器和电源管理器可以接80387协处理器有3v版本6个16位段缓冲器132I/O引脚32位地址线，24位地址线3435Intel公司于1989年推出了第二代32位微处理器80486。它采用CMOS工艺，芯片上集成了120万晶体管，是386的4倍以上168个引脚，PGA封装。它也是采用CISC结构，80位FPU，32位数据线，32位地址线，32位寄存器。3680486结构图371993年3月22日，Intel推出Pentium。它有60Hz和66Hz两种主频；32位，CISC结构；64位数据线；32位地址线；8级FPU并行处理器；310万个晶体管。3839并行性：同时性并发性计算机的的并行的三种形式：时间并行空间并行时间并行＋空间并行5.8流水CPU5.8.1并行处理技术40时间并行多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。空间并行指资源重复，以“数量取胜”为原则来大幅度提高计算机的处理速度。时间并行＋空间并行既采用时间并行性又采用空间并行性。411．流水计算机的系统组成多体交叉存储器cache指令部件（指令I+k+1）（指令I+k）（指令I+2）（指令I+1）执行部件（指令I）取指令、指令译码计算机操作数地址取操作数存储器体系流水方式的CPUFIOF指令队列算术逻辑运算流水线图5.37流水计算机系统组成原理示意图5.8.2流水CPU的结构42CPU的三大部分组成指令部件指令队列执行部件执行段的速度匹配采用的方法：将执行部件分为定点执行部件和浮点执行部件两个可并行执行的部分，分别处理定点运算指令和浮点运算指令；在浮点执行部件中，又有浮点加法和浮点乘除部件，它们也可以同时执行不同的指令；浮点运算部件都以流水线方式工作。432．流水CPU的时空图假设指令周期包含四个子过程：取指令(IF)指令译码(ID)运算(EX)结果写回(WB)每个子过程称为过程段(Si)44出IF图5.38流水计算机的时空图(a)一个指令流水线过程段IDEXWBS1S2S3S4入图5.38(b)表示非流水计算机的时空图。对非流水计算机来说，上一条指令的四个子过程全部执行完毕后才能开始下一条指令。因此，每隔4个机器时钟周期才有一个输出结果。图5.38流水计算机的时空图(b)非流水线时空图I1空间SWBEXIDIFI1I1I1I2I2I2I2I1I2时间T1234567845图5.38(c)表示流水计算机的时空图。对流水计算机来说，上一条指令与下一条指令的四个子过程在时间上可以重叠执行。因此，当流水线满载时，每一个时钟周期就可以输出一个结果。图5.38流水计算机的时空图(c)标量流水线时空图I1空间SWBEXIDIFI1I1I1I5I5I5I5I1I2时间T12345678I2I2I2I2I3I4I3I4I3I4I3I446比较：流水计算机在8个单位时间中执行了5条指令，非流水计算机在8个单位时钟仅执行了2条指令。结论流水技术的应用，使计算机的速度大大提高了。47标量流水计算机计算机只有一条指令流水线超标量流水计算机指计算机具有两条以上的指令流水线例：Pentium微型机为超标量流水计算机48图5.38流水计算机的时空图(d)超标量流水线时空图I2空间SWBEXIDIFI1I1I1I10I1I2时间T12345678I2I2I2I9I8I10I7I9I8I1I3I4I5I3I4I6I5I3I4I6I5I3I4I6I7I5I6I8I9I7I8I10I9I10I7I3I4I5I6I7I8I9I10493．流水线分类指令流水线指令步骤的并行算术流水线指运算操作步骤的并行STAR-100为4级流水运算器。TI-ASC为8级流水运算器CRAY-1为14级流水运算器。50处理机流水线（宏流水线）是指程序步骤的并行，由一串级联的处理机构成流水线的各个过程段，每台处理机负责某一特定的任务。数据流从第一台处理机输入，经处理后被送往到第二台处理机相联原缓冲存储器中。第二台处理机从该存储器中取出数据进行处理，然后传送给第三台处理机。如此串联下去。51流水过程中出现的三种相关冲突资源相关数据相关控制相关5.8.3流水线中的主要问题521.资源相关指多条指令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。冲突解决办法1.其中一指令停顿一拍后再启动。2.增设一个存储器，将指令和数据分别放在两个存储器中。53数据相关冲突由于多条指令的重叠处理，当后继指令所需的操作数，刚好是前一指令的运算结果时，便发生数据相关冲突。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后一条指令，那么这条指令就是数据相关的。2.数据相关54数据相关冲突的解决流水CPU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，便于后继指令直接使用，称为定向传送技术55控制相关冲突控制相关冲突是由转移指令引起的。