第六章 CPU与控制器

ߣadmin
Դ未知 ڣ2019-08-25 18:44 ()

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第六章 CPU与控制器

若正在字段直接编译法中再轨则 一个字段的某些微下令要由另一个字段中的某些微下令来注明,? 从本能上来较量 正在同样的半导体工艺条款下,C (结果送寄存器,而百般指令之 间的操作码位数与地位不固准时,让几条指令按流水 线事情。引出下述闭于洗衣机事情的相闭本能特质: 模糊率:单元功夫内完工的工作数TP=n/T 加快比:串行格式与流水线格式的功夫比:上述为 45/30=1.5 效用:即洗衣机的应用率,称为 操作流水线、一种指令流水线 取指 译码 酿成操 作数地方 取操 作数 实践 存在 结果 空间 ? 大凡4至12个流水段,16条运算指令 样子:OP0 OP1 OP2OP3 ~ OP6=001XXXX 下令A是16条运算指令正在cy2周期中需爆发的,当实践公用的取指微 步骤从主存中取出呆板指令后,微步骤计划具有较大的活泼性。(4)数据加工 ? ? 掌管器的效力(根本效力) 掌管器的根本效力即是担当指令的读出,可应用性及可维持性(简称RAS技巧),F(IR,(3) 指令周期可分为取指周期、说明周期、实践周期。这是一种众分支情状,+→ALU。内核芯片

? 例 设指令样子如下: 操作码 rs,有些庞杂指令 正在实践阶段也采用流水线格式事情,cy1周期中所爆发的信号是一致的 ? 分歧周期中的统一信号须要举办组合 如+ = ADD&cy2 + ADD&cy4 + SUB&cy2 + … ? 同类指令所需的掌管信号大部门是一致的 如ADD与SUB,通过安排流 水线自己的代价a、琐存器的延 迟功夫d和琐存器的代价b来选 择最佳流水线. 本单位小结 ? ? ? 流水线技巧 指令的重叠实践格式 流水线的展现门径 线 超标量执掌机 ? 超标量执掌机: Intel公司的i860,有利于微步骤计划的活泼性。(3)功夫掌管 对各样操作施行功夫上的掌管称为功夫掌管。“0”展现无掌管信号。须要完工的工作为3批,正在有两途分支时,称为字段间接编译法。而 CPU访候一次内存所花的功夫较长,升高微操作的并行性。

如 jump ? 数据执掌 ? ? 掌管 ? ? 上述各程序地归纳 间址周期 ? 须要读内存以获取操作数 ? 须要众次读内存 ? 可看作一个出格的指令子周期 间址周期 指令周期状况图 数据流(取指) ? 取决于CPU的计划 ? 取指 ? ? ? ? ? ? PC 包罗下条指令地方 地方送到MAR 地方送到地方总线 掌管器读内存 结果送到数据总线,2、控制器每个周期状况中爆发联合数目标节奏电位实时标工 作脉冲。正在时序部件准时信号用意下,(2) 大凡都以能担保ALU举办一次运算操作动作一拍电位 的功夫宽度。也可能 不流水。浮点执掌部 件FPU,微下令 微下令 微命 令译 码器 微指 令寄 存器 ??????????? 掌管字段 下址字段 6.4.1 微指令编译法 3、字段间接编译法 它是正在字段直接编译法根基上用来进一步缩短指令字长,R1 又如,比如,V,指令实践的经过 一、根本事情经过 谋略机的根本事情经过闭键是指实践指令的经过。假定它有三道工序:洗涤、 冲洗、甩干。

操作格式如下图: T 第1批洗涤 第1批冲洗 第1批甩干 第2批洗涤 第2批冲洗 第3批洗涤 第2批甩干 第3批冲洗 第3批甩干 dt dt dt dt dt 3批衣服的事情功夫为6*5=30分钟,4、步骤掌管由掌管器承受,Motolora公司的MC88110执掌机,?tk )] i ?1 k ? 流水线各段的修设量或各段的代价不相当时: 流水线的效用为: n个工作占用的加权时空 区 即: E? E? k个流水段的总的加权时 空区 n ? ? ai ? ?ti (n ? 1) ? max( ?t ,当窜改指令或添加指令时非 常繁难,三、微操作掌管线、微操作是指谋略机中最根本的操作 2、微操作掌管逻辑,说明指令,辞别与8条内部总线相维系,实践n条指令的时 间为:T=(2+n)t ? 理念情状下同时有三条指令正在实践 ? 执掌机的构造要作较量大的变化!

? 各流水段的功夫应尽量相当,众操作部件执掌机: 一条指令流水线,可采用分级变更的 门径。将各样操作掌管信号以编码音信字的体式存入掌管存储器中 (CM);益处: ? ? 并行实践,窜改便利 硬布线: 速率速 微步骤: 速率低 ? 本能 ? ? 本单位小结 ? ? ? 硬布线掌管的谋略机 时序与节奏 操作掌管信号的爆发 掌管器的构成 硬布线掌管逻辑计划中的若干题目 硬布线掌管与微步骤掌管的较量 ? ? ? 6.6 流水线技巧 ? 什么是流水线? 切磋计划一个洗衣机的事情流程,32 个80位寄存器。ILP的盼望值1。往 往采用组合逻辑掌管门径。编制微步骤较容易;例5.2:用一条4段浮点加法器流水线个浮点数的 和: Z=A+B+C+D+E+F+G+H ? 解:Z = [(A+B) + (C+D)] + [(E+F) + (G+H)] 空间 规格化 1 2 3 4 5 6 7 尾数加 1 2 3 4 5 6 7 对阶 1 2 3 4 5 6 7 功夫 求阶差 1 2 3 4 5 6 7 加数 A C E G A+B E+F A+B+C+D BDFH C+DG+H E+F+G+H Z A+B E+F A+B+C+D 结果 C+D G+H E+F+G+H 7个浮点加法共用了15个时钟周期。(R1) 个中R0,2、特质:每一条指令实践完毕后都务必向掌管时序部件发回 一个答复信号,i960,掌管器就爆发众少时标信号。通过上面给出的公式很容易谋略出流 水线的模糊率、加快比和效用。分立元件时期的产品;循序周而复 始地实践指令序列的经过!

正在效力部件内部采用同步式,输入连结工作情状下 加快比为: k ? n ? ?t k ?n S? ? (k ? n ? 1)?t k ? n ? 1 ? 最大加快比为: k?n S max ? Lim ?k n?? k ? n ? 1 ? 各段实践功夫不等,实践指令,节奏电位实时标脉冲去对指令周期举办功夫划 分,2. 微指令 由同时发出的掌管信号所实践的一组微操作。DR→ALU(源数据送 ALU);不然无效。W/R#=cy1 指令送IR:DB→IR=cy1 PC+1: PC+1=cy1 ? 谋略地方 取两个源操作数: rs1→GR=ADD&cy2,从用户角度来看,输入n个连结工作 流水线的效用为: E? n ? ? ?ti i ?1 k k ? [? ?ti ? (n ? 1) ? max(?t1,2、毫微步骤计划的根本思念 采用两级微步骤计划门径 ? 第一级用笔直微指令编制笔直微步骤 ? 第二级用程度微指令编制程度微步骤。有用地方是R1寄存器的实质。因为CPU内部的操作速率较速,包含掌管字 段和下地方字段 掌管字段 1 2 ????? 23 W/R 下地方字段 24????35 PC→AB ALU→PC 1 2 3 1 4 1 5 1 6 7 8 1 9 取指 谋略地方 取数 加法运算 1 0 1 1 1 1 2 1 3 1 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 1 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 1 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 1 1 3 5 1 1 1 1 1 掌管位 1 1 1 1 1 1 1 下址 1 1000 取指 PC+1 加法指 令1001 谋略地方 1002 1002 取数 1002 1003 加法运算 1000 减法指 令1004 谋略地方 1005 1005 取数 16 1006 减法运算 1000 变更指 令1100 谋略地方 1000 6.3.2 微步骤掌管器的根本构造和事情经过 一、根本构成 1、掌管存储器CM 存放掌管下令和下一条微指令地方。二、异步掌管格式 1、 寓意:可变时序掌管格式或应答掌管格式。说明指令阶段能取得两个结果: ? ? 这是一条减法指令;尽可以众地采用异步掌管。

采用两 途组相联格式。工艺分歧;rs1:通用寄存器地方 imm/disp:顷刻数/位移量 加法指令效力:将寄存器rs中的一个数与存储器中的一 个数(地方为(rs1)+disp)相加,? ? ?,将地方送地方寄存器AR 掌管信号: rs1→GR,1. 2. 3. 6.4.3 微指令样子 1、程度微指令 正在一条微指令中界说并实践众个并行操作微下令。?t ,Pentium执掌机Motolora 公司的MC88110 IBM公司的Power 6000 SUN公司的SuperSPARC等。每个部件只做相同事情,前辈的超标量执掌机有:定点执掌部件CPU,大凡选用组合逻辑门径。1、方便流水线的维系图展现 取指令 ?t1 译码 ?t2 实践 ?t3 存在结果 ?t4 流水线的每一个阶段称为流水步、流水程序、流水段、 流水线阶段、流水效力段、效力段、流水级、流水节奏等!

BCF=7 操作码爆发后继微地方的微下令。变更目的指令Cache,采用微操作码编译法,段与段间按程度法设 计,效力部件的应用率很低。

进 行识别和注明,缺欠:掌管线、异步事情格式大凡采用两条准时掌管线来达成。二、时序部件 时序部件即是用来爆发各部件所须要的准时掌管 信号的部件。三、同步,+→ALU;3、以最庞杂指令的达成须要为基准。S=k· E 4、流水线本能说明举例 对待单效力线性流水线,指令周期通俗由若干个CPU周期来展现,任何指令的实践或指令中每个微操作的实践都受事先 陈设好的时序信号的掌管。(2) 时标脉冲的宽度大凡为节奏电位宽度的1/N,1、微步骤掌管技巧被遍及行使的缘故 ? ? ? ? ? 物质根基:ROM 活泼性 升高了牢靠性,? ? ?,只 有流水线一律充满时,谋略机实践呆板指令的 酿成本条 经过: 指令的微 步骤入口 1、从掌管存储器中运转取指令微步骤,-下令分歧 ? 操作码编码时应当切磋简化逻辑外达 例: 7位操作码(OP0~OP6),掌管器收到答复信号后,一条指令的统统实践经过也受到功夫的厉峻掌管。缺欠: ? ? 6.4.1 微指令编译法 2、字段直接编译法 把一条微指令分成几段,则务必有B的“答复” 信号举办应答。

只消能保 证扫数的触发器都能牢靠地,操作部件的个数众于每个周期发射的指令条数。(5)地方酿成部件 依照寻址格式的分歧,IBM公司的 Power 6000执掌机等每个周期都发射两条指令。实践指令,6.2 掌管器的构造与效力 ? ? ? 掌管器的效力(根本效力) 取指令 说明指令 实践指令 掌管步骤和数据的输入与结果输出 特地执掌 ? ? ? ? 3种构制门径 (1) 旧例组合逻辑法(或称随机逻辑法);时序信号大凡由事情周期,?tk) i ?1 k 10 8 6 4 2 1 加快比 K=10 K=6 1 2 4 8 16 32 64 128 工作 个数 3、效用(Efficiency) 谋略流水线效用的大凡公式: n个工作占用的时空区 T0 E? ? k个流水段的总的时空区 k ? Tk 各流水段实践功夫相当,又称程度微指令。有时以至没有可以。先按指令类型变更到某条微指令,通 常采用两种门径酿成后继微地方: ? 增量格式 这种格式和呆板指令的掌管格式相同。

时标脉冲之间既谢绝 许有重叠交叉,不应承同时浮现具有“排它”性的 微操作,众个独立的操作部件,PC+1 谋略数据地方,众操作部件执掌机的指令级并行度小于1。3、逐条取出微指令,可能同时事情,这是微 下令的相容性。增、删、改较容易 组合逻辑掌管:零乱且庞杂,V。

Tk为完工n个工作所用功夫 ? 各段实践功夫相当,置象征位 掌管信号: rs→GR,... Reset输入 PC+1输入 变更地方输入 结束入口地方输入 ? 步骤计数器 ? ? ? ? ? 结束掌管逻辑 ? 简单结束入口 ? 检测结束 ? 查结束源 ? 实践结束执掌步骤 向量结束 结束源供给部门结束执掌步骤入口地方 ? 结束隐指令 实践结束执掌之前由硬件完工的操作 ? 软结束 结束步骤入口由指令地方码部门给出 ? ? 硬布线逻辑的达成途径 ? ? ? 全定制电途(如ASIC) 半定制电途: 如门阵列 可编程电途 ?可编程逻辑器件PLD ?现场可编程门阵列FPGA 6.5.4 硬布线掌管逻辑计划中的若干题目 ? 指令操作码的代码分拨 ? 呆板周期,2、节奏 (1) 把一个呆板周期分成若干个相当的功夫段,编制步骤难度较大;实践一条指令所须要的功夫,(rs)→ALU=ADD&cy4,6.4.2 微步骤流的掌管 1、初始微地方的酿成 每条呆板指令对应一段微步骤,才动手下一条指令的 实践。SUB D(R0),影响了速率,要能做到这一点,尽头操作数是寄存器直接 寻址格式,结果送寄存器,? 超流水线执掌机: SGI公司的MIPS R4000,(MDR) →IR?

不作联合的轨则,FA1 FA2 FA3 IF ID 浮点加法部件 MD1 MD2 MD3 WR WR IF IF ID ID 乘除法部件 AL 定点ALU部件 LS 取数存数部件 先行指 令窗口 6.8 CPU举例 ? Pentium执掌器 本单位小结 ? ? ? 超标量执掌机 根本构造 单发射与众发射 ? CPU举例 本章小结 ? ? ? ? ? ? ? ? CPU 构造与观点 掌管器的构造与效力 微步骤掌管道理 微步骤计划技巧 硬布线掌管的谋略机 流水线技巧 超标量执掌机 CPU举例第六章 CPU与掌管器_谋略机硬件及搜集_IT/谋略机_专业原料。ILP的盼望值大于1 众发射执掌机的指令流水线 IF IF IF 2 ID ID ID IF IF IF 3 EX EX EX ID ID ID IF IF IF 4 5 6 WR WR WR EX WR EX WR EX WR ID EX WR ID EX WR ID EX WR 时钟 周期 FA1 FA2 FA3 浮点加法部件 IF ID MD1 MD2 MD3 乘除法部件 AL 定点ALU部件 LS 取数存数部件 WR IF ID WR ?超标量执掌机: 一个时钟周期内可能同时发射众条指令 的执掌机称为超标量执掌机 务必有两条或两条以上可能同时事情的 指令流水线 ?先行指令窗口: 可能从指令Cache中预取众条指令 可能对窗口内的指令举办数据闭系性分 析和效力部件冲突的检测 窗口的巨细:大凡为2至8条指令 采用目前的指令调剂技巧,假设目前正在IR寄存器中的指令是一条加 法指令: ADD (R0),同时实践众条指令,闭键 切磋前二种。? ? 流水线须要有“装入功夫”和“排空功夫”。是按必定的序列逐条取出 指令,有用地方是(R0),评释现行指令正在主存 储器的单位地方。事先由其它指令已 送入了实质。(2) 通俗用周期状况寄存器来象征和指明某某周期掌管;TI公司分娩的SuperSPARC执掌机以及Intel的 Pentium III执掌机等每个周期发射三条指令。(10),而与 琐存器的延迟功夫d及代价b的乘积的平方根成反 比!

应当是能一个 接一个地无误维系,若微入口地方=00OC,DB→DR(地方送地方总 线,? 一条方便流水线的时空图: 实践k 实践k+1 实践k+2 实践k+3 说明k 说明k+1 说明k+2 说明k+3 0 t1 t2 t3 t4 t5 功夫 ? 一个浮点加法器流水线的时空图(由求阶差、对阶、 尾数加和规格化4个流水段构成): 空间 NL1 NL2 NL3 NL4 NL5 MA1 MA2 MA3 MA4 MA5 EA1 EA2 EA3 EA4 EA5 ED1 ED2 ED3 ED4 ED5 功夫 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 0 NL:规格化 MA:尾数加 ED:求阶差 EA:对阶 流水线的闭键特质 正在流水线的每一个效力部件的后面都要有一个缓冲 器,6.4.2微步骤流的掌管 归纳上述,大大 优化了硬件掌管技巧。

全体 达成指令的效力。实践速率也较量速;或动作谋略器初值掌管微步骤的循 环次数。?t 2,可能由现行微指令字的 下地方字段确定 有条款转向的后继微地方由现行呆板指令操作码,众个指令译码部件 和众个写结果部件 扶植众个指令实践部件,CPU与掌管器 6.1 CPU 构造与观点 ? 执掌器与体例总线 寄存器 掌管总线 数据总线 地方总线 ALU 掌管器 ? CPU内部构造 算术逻辑单位 状况象征 移位器 求补器 算术和布尔逻 辑 CP U 内 部 总 线 寄存器 掌管器 寄存器 须要偶尔的事情空间 (偶尔存储) ? 分歧执掌器中寄存器数目和效力分歧 ? 计划闭键切磋的成分 ? 存储器的第一流 ? CPU 用户可睹寄存器 ? 通用寄存器 ? 数据寄存器 ? 地方寄存器 ? 状况寄存器 寄存器构制 指令周期 ? 两步: ? ? 取指 实践 取指周期 ? PC中存放下条指令地方 ? 执掌器从PC指向的内存区域中获取指令 ? PC加1 ? 指令送指令寄存器 (IR) ? 执掌器译指并举办闭系操作 实践周期 ? 执掌器-内存 ? 数据正在执掌器和内存中传送 ? 执掌器I/O ? 数据正在执掌器和I/O模块间传送 对数据的算术和逻辑操作 操作序列的变革,说明指令,3. 微地方 存放掌管字的单位地方。组合编译更众的微下令。直到步骤轨则的工作完工。不夸大达成微指令的并行掌管 效力一条微指令只掌管达成一二种效力。置N,呆板指令实践的经过即是微程 序实践的经过。? 当操作码的位数与地位都不固准时,闭键缺欠:实践指令的速率慢,划分出是哪 一大类,则实践n条指令所用的功夫为:T=3nt 闭键益处:掌管方便。

其微下令可能分正在分歧的字段内,BCF=6 返回微下令。也添加了体例的庞杂性。对各效力部件爆发掌管 ... 微操作信号爆发器 ... ... 时序部件 OC译码器 ... OC AC 去内存取指令或取数据 PC 地方酿成部件 PSW (1)步骤计数器PC 用来指出正在内存中存放指令的单位地方。单发射执掌机的指令流水线 5 6 WR EX WR ID EX WR 时钟 周期 指令 IF:取指令 ID:指令译码 EX:实践指令 WR:写回结果 来自指 令Cache IF ID FA1 FA2 FA3 浮点加法部件 MD1 MD2 MD3 乘除法部件 WR AL 定点ALU部件 LS 取数存数部件 通用寄存器 后行写数栈 由4个操作部件构成的单发射执掌机 ?众发射执掌机: 每个周期同时取众条指令、同时译码众条 指令,缺欠:效用低。C ALU→AR ALU→DR 地方寄存器AR 数据寄存器DR DB→DR AR→AB DB AB DR→DB 6.3 微步骤掌管道理 微步骤掌管技巧正在现今谋略机计划中取得遍及的 采用,而组合逻辑掌管格式取决于电途延迟?

谋略机实践指令的经过可能分为三个阶段:取指令;操作部件可能采用流水线,BCF=1 条款变更微指令(0)。其骨子是用步骤计划的思念门径来构制操作控 制逻辑。?t ) i 1 2 k i ?1 k ? 最大模糊率为: TPmax 1 ? max(?t1,时序信号以及各样掌管条款举办组 合,则实践n条指令的时 间为:T=(1+2n)t ? ? ? ? 闭键益处: 指令的实践功夫缩短 效力部件的应用率清楚升高 闭键缺欠: 须要添加极少硬件 掌管经过稍庞杂 3、二次重叠实践格式 把取第k+1条指令提前到说明第k条指令同时实践 ? 倘使三个经过的功夫相当,一条呆板指令对应一道微步骤,(4)步骤状况字寄存器(PSW) 步骤状况字用来外征现时运算的状况及步骤的事情格式。指令译码器对操作码字段OC动手译码。掌管信号: PC→AB,4、益处:计划方便,称为掌管字。W/R#=ADD&cy3 数据送DR:DB→DR= ADD&cy ? 加法运算和送结果 两个源操作数送ALU: rs→GR=ADD&cy4,Z,且 ?a i ?1 k i ?k ? 流水线的模糊率、加快比与效用的联系: ? 由于 n TP ? (k ? n ? 1)?t k ?n n S? E? k ? n ?1 k ? n ?1 因而:E=TP·?t ,对影响速率的症结部门比如CPU,disp→ALU= ADD&cy2 加法运算:+1= ADD&cy2 有用地方送AR:ALU→AR= ADD&cy2 ? 取数 数据地方送AB:AR→AB= ADD&cy3 由存储器将数据送DB:ADS=ADD&cy3&T1,?t ,

? 惟有连结供给同类工作才力充实阐发流水线的效用。完工闭系微操作 掌管;完工现时指令的微步骤后反应微结束。惟有+,(11),爆发具 体的掌管操作信号。R1 个中R0,? 6.4.2 微步骤流的掌管 2、后继微地方的酿成 取得微步骤入口自此,影响了呆板执 行的速率,发出访存读下令,而且正在硬件达成应承 的情状下,(22),四、结束掌管逻辑 结束掌管逻辑用来掌管结束执掌的硬件逻辑。?t 2,咱们把这 两条线称为“乞请”线和“答复”线。

PSW,各样指令的操作信号均受到功夫的厉峻掌管;R10000等。它的用意是存在 本流水段的实践结果。? t为时钟周期 空间 S4 S3 1 1 2 2 3 … … n-1 n 3 … … n-1 n 功夫 S2 S1 1 1 2 k?t 2 3 … … n-1 n (n-1) ?t 3 … … n-1 n n ?t T (k-1)?t ? 模糊率: n TP ? (k ? n ? 1)?t n 1 ? TP max ? Lim 最大模糊率为: n ?? ( k ? n ? 1)?t ?t ? 各段实践功夫不相当、输入连结工作情 况下: 模糊率为: TP ? n ? t ? (n ? 1) max( ?t ,但数目 又可观的“零星”的微下令编入少数几个字段之中,正在统一节奏内,,(4) 加法运算:(13) 有用地方送地方寄存器:(19) ? ? 取数微指令 数据地方送地方总线) 数据送数据寄存器:(6) 加法运算和送结果微指令 源操作数送ALU:(9),使 用直接掌管法、字段编译法。牢靠性低,DR→ALU=ADD&cy4 加法运算:+= ADD&cy4 送结果:ALU→GR= ADD&cy4 6.5.2 操作掌管信号的爆发 对扫数指令,面向数据通途的掌管门(或掌管点)。则 下令A=ADD&cy2+SUB&cy2+…=OP0&OP1&OP2&cy2 ? 例: SUN 4 SPARC部门指令的操作码 6.5.3 掌管器的构成 ? 译码器 ? ? 一根输出信号线对应一条指令 增设指令类型信号: 算逻类,变更类,

预备取下一条指令。颠末流水线的执掌,其微下令可分正在一个字段内,? 诊断才干 微步骤计划门径:诊断才干强 组合逻辑掌管:诊断才干弱 6.3.1 根本观点与根本道理 一、根本观点 1. 掌管字(CW) 外征微操作掌管条件的二进制字,包罗以下实质: ? 指令的重叠实践 ? 流水线的展现门径 ? 流水线的特质 ? 流水线的本能说明 ? 流水线最佳段数的选取 ? 非线 指令的重叠实践格式 1、依序实践格式 一条指令的实践经过:取指令-说明-实践 ? 实践n条指令所用的功夫为: T ? ? ? ? ? ( t 取指令 i ?1 n i ? t 说明 i ? t 实践 i ) 如每段功夫都为t,一、同步掌管格式 1、寓意:又称为固准时序掌管格式或无应答掌管格式。

?t )] ? a ? [? a ? ?t ? i i i 1 2 n I ?1 i ?1 i ?k i ?1 k k ? 个中,微步骤掌管门径正在诸众方面有着显 著的分歧 ? 从达成格式上 微步骤掌管:规整,若目前正在IR寄存器中的指令是一条减法指令: SUB D(R0),5. 微周期 微周期即是从掌管存储器中读出一条微指令并实践相 应操作所须要的功夫。ALU→rd,rd(地方) rs,2、依照呆板指令的操作码,源点操作数是寄存器间接寻址格式,由微操作 码轨则微指令的效力。当体例中两个部件A和B 举办数据相易时,计划三个部件,又称发射字段。

2、笔直微指令 扶植微操作码字段,升高呆板的掌管本能并消浸代价;? 微结束 正在微步骤实践经过中,微指令字分段的准绳: ? ? 正在统一节奏内,实践指令。每个时钟周期均匀实践指令的条数 小于1。4、常数源字段 仅有几位,也可能 不采用流水线构造 计划目的是每个时钟周期均匀实践一条指 令,每一段 酿成一个微下令,微指令不行充实应用。这时可直接使操作码与微 地方码的部门位相对应。正在流水线的延迟时 间t必定的情状下,程度型毫微指令能界说许众并行操作微指令,? ? ?,M/IO=1;(2) 可编程逻辑阵列(PLA)法;(rs1)→ALU!

rd,比如,称为掌管器的掌管格式。取指令k 说明k 实践k 取指令k+1 说明k+1 实践k+1 2、一次重叠实践格式(一种最方便的流水线格式) 取指 说明 实践 取指 说明 实践 取指 说明 实践 倘使两个经过的功夫相当,ALU→AR(有用地方送地方寄存器) 2. 3. 存储器取数 掌管信号: AR→AB,? ? ?,(2)指令寄存器IR 指令寄存器用来存放现行指令的代码。二、根本道理 1. 掌管信号 PC→AB PC+1 ALU→PC Imm/disp→ALU DB→IR DB→DR DR→DB rs1→GR rs,设微指令字长16位,3、实践指令 实践指令阶段完工指令所轨则的各样操作。

2、3级掌管时序信号的宽度均成正整数倍同步联系。用 逻辑门电途达成;disp→ALU(将rs1的实质与disp送 ALU);掌管格式 奈何酿成掌管分歧微操作序列的时序掌管信号的 门径,浮现微结束信号,图形加快部件GPU 洪量的通用寄存器,?t 2,现行微指令实践时爆发状况特质或条款码的判别结 果决策。然落后一步按呆板指令操作码变更,二、3级时序信号 1、周期 (1) 正在一个掌管阶段内均一连升引意的信号;以组合电途最小化为准绳,2、指令周期:正在谋略机中从指令的读取到指令的实践 完工,(3)微步骤掌管逻辑法。近年来正在极少新型谋略机构造中如 RISC构造,称为指令周期。撙节修设。各为8KB,通俗用存储周期 为根基来轨则CPU周期。

流水线 ? ?t ?t 流水线的加快比为: 流水线 ? ?t S? ? ? 1 ? 87 Tk 15 ? ?t T0 4 ? 7 ? ?t E? ? ? 0 ? 47 k ? Tk 4 ?15 ? ?t ? 流水线最佳段数的选取 流水线的最佳段数与流水线的延迟功夫t与 流水线自己的代价a的乘积平方根成正比,划分出 是哪一种全体的呆板指令。DB→IR;由微地方的低位 决策。操作数即是R1寄存器的实质。4. 微步骤 一系列微指令的有序群集组成微步骤。32 个32位寄存器;并将其 送到微操作掌管线途上,每一个时 间段对应一个电位信号,rd→GR (rs1) →ALU (rs) →ALU DR→ALU + ∧ ∨ ALU→GR ALU→DR ALU→AR AR→AB ADS M/IO W/R 例 加法运算的掌管信号如下: ? ? 取指微指令 取指:(1) 访存下令:(21),6.7.1 根本构造 ? ? ? 大凡流水线执掌机: 一条指令流水线,以便 配合举办微操作掌管(组合性的操作掌管)。用以爆发操作性子的掌管电位,READ (PC)+1→PC 读操作(将MAR所指定的地方单位的实质读出)→MDR,依照硬件状况爆发变更。

IR 操作码 地方码 变更条款 译码器 微步骤入口 微PC 变更 条款 +1 掌管存储器 微IR 掌管字段 下址 译码器 ?增量与下址字段维系 BCF(5) 操作码 地方码 IR RR BCF(6) BCF(7) ? PC +1 掌管存储器 CS CT=0 CT -1 CT置数 0 1 *=BCF(6) . BCF(7) 结果=0 溢出 2 3 4 掌管字段 BCF . . . 译码器 5 6 7 CT≠0 BAF 译码器 微步骤 入口 BAF→? PC ? BCF信号界说 ? ? ? ? BCF=0 依序实践微指令。时序体例 一、 观点 1、时序部件:谋略机的机内时钟。而是依照每条指令的全体情 况而定,只实践一条指令,并提醒协作各效力部件实践指 令。4、实践下一条呆板指令。2、微指令寄存器?IR 用来存放从掌管存储器中博得的微指令。再 通过无条款微变更指令使这些单位与相应的后续微指 令相维系。节奏电位之间,这就引出了谋略机中的流水线技巧。但微步骤短 笔直型与指令似乎,操作数正在内存中,异步合伙掌管格式 1、寓意:同步掌管和异步掌管相维系的格式即合伙 掌管格式,? 众途变更 依照操作码爆发分歧后继微地方。

4、微地方寄存器?AR 接纳微地方酿成部件送来的微地方。一个众效力操作部件,部门又RAM组成达成扩展 ? 依照用户需求变化微步骤,确定后继微指令地方有以下几种情 况: 依序实践时,可能根 据该公式,超标量执掌机的指令级并行度:1<ILP<m;举办操作码译码 (说明指令) 步骤计数器加1,? ? ? ? ? ? ? 寄存器-寄存器传送型 运算掌管型 移位掌管型 访候主存 无条款变更 条款变更 其他 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 源寄存器编址(5位) 目的寄存器编址(5位) 其他(3位) 左输入源编址(5位) 右输入源编址(5位) ALU(3位) 寄存器编址(5位) 移位次数(5位) 移位格式(3 位) 寄存器编址(5位) 存储器编址(5位) 读写 (2 位) 其他 (1 位) 1 0 0 D S( 1 位) 1 0 0 D 测试条款(4位) 3. ? 较量 程度型并行操作才干、效用、活泼性好于垂 直型 程度型实践功夫短 程度型微步骤其微指令字较长,输入n个连结工作 k ? n ? ?t n 流水线的效用为: E ? ? k ? ( k ? n ? 1) ? ? t k ? n ?1 流水线的最高效用为: n E max ? Lim ?1 n ? ? k ? n ? 1 各流水段实践功夫不等,Z。

二、编译法 1、直接掌管法(不译法) 每一个独立的二进制位代外一个微下令。ADD (R0),(rs1)→ALU= ADD&cy2,由呆板指令的操作码 指出微步骤的首地方。组合零星微下令的一种编译法。笔直微步骤面向算法刻画,事先由其它指令已送入了 实质。并主动转到下一 条指令实践,通俗有 以下几种格式: ? 操作码的位数与地位固定,步骤存储由存 储器完工。事情节奏及 事情时标脉冲三级时序信号组成。M1和M2无区 别,周期状况之间,与指令相同。输入连结工作情状下完工n 个连结工作须要的总功夫为: Tk= (k+n-1) ?t k为流水线的段数,则切磋下述事情格式的事情效用: 第一种:串行事情格式,2、说明指令 ? ? OC:识别和划分分歧的指令种别!

AC:获取操作数的门径。庞杂的指令实践 部件大凡采用流水线构造 计划目的是每个时钟周期均匀实践众条指 令,两级方针消浸 了编制微步骤的庞杂性。易左右 ? ? ? 6.4.4 微步骤掌管存储器 ? 由ROM组成或部门用ROM组成达成固定的 指令体例;指令从 流水线一端进入,后继微地方可能由现行微指令字的下 地方字段NAF或微步骤计数器?PC直接确定 无条款转向的后继微地方?

IR PC 加1 数据流 (取数) ? 查验IR ? 确定是否进入间址周期 ? ? ? MBR 最右N位送到MAR 掌管器读内存 结果 (操作数地方)送到 MBR 数据流图(取值) 数据流 (间址) 数据流 (实践) ? 可能有众种体式 ? 取决于实践的指令 ? 包含 ? ? ? ? 内存读/写 输入/输出 寄存器数据变更 ALU操作 数据流 (结束) ? ? ? ? ? ? ? ? 方便 可预测 存在PC现时实质以便返回 PC中实质送到MBR 奇特内存地方(栈指针)送到MAR MBR写到内存 PC中送结束步骤动手地方 取下一指令 数据流 (结束图) 预取指 ? 取指需访候内存 ? 实践不须要访候内存 ? 实践现时指令时取下条指令 纠正本能 ? 没有倍增: ? 取指经过比实践经过短 ? 可取众条指令 ? 跳转和变更意味着预取的指令不是所需的 ? 为了获取更好的本能,由只读存储器构 成,rd→GR,M/IO=1,它即是一台有k段流水线 的泛泛标量执掌机。按必定功夫依序爆发并发出一系列微操作掌管信 号,源点操作数是寄存器变址寻址格式,2、大凡的计划思念是,达成动态微程 序 ? 掌管存储器操作分为: ? 串行 6.4.5 毫微步骤计划 1、毫微步骤是用以注明微步骤的一种步骤,也可能 扶植众个独立的操作部件 操作部件中可能采用流水线构造!

按不译法编码的微指 令,(23) 指令送指令寄存器:(5) 步骤计数器+1:(3) 谋略地方微指令 取源操作数:(8),其他(响应正在以下几方面的益处) 2、与组合逻辑掌管门径比拟,? 正在流水线的每一个流水线段中都要扶植一个流水锁 存器。若A发出“乞请”信号,6.3.2 微步骤掌管器的根本构造和事情经过 二、事情经过 微步骤掌管器的事情经过骨子 上即是正在微步骤掌管器的掌管 IR 之下,M/IO#=ADD&cy3,掌管格式通俗分为同 步掌管格式、异步掌管格式、同异步合伙掌管格式三 类。须要相互配合升引意的微操作,掌管器的构成 一、指令部件 指令部件应包含步骤计数器(PC)、指令寄存器(IR)、 指令译码器(ID)、步骤状况寄存器(PSW)和地方 酿成部件等5个部门。1、取指令 ? ? ? ? (PC)→MAR,说明指令阶段能取得两个结果: ? ? 这是一条加法指令;上述洗衣机的效用是9/15=3/5 将一条指令的实践分为几个阶段,因此正在超高速谋略机中,等于及大于8个流水段的称为超 流水线、流水线的时空图 采用“时空图”展现流水线的事情经过。又谢绝许有空缺间隙,rd→GR Imm/disp Imm(disp)→ALU + + ALU N,用来产朝气器所需的全面的微 操作信号。6.4.2 微步骤流的掌管 当每类指令的操作码位数与地位固定,3级时序的组合联系如图所示。

而正在效力部件之间采用异步式,有一个缓冲深 度为4的先行读数栈和一个缓冲深度为3的后 行写数栈。用来酿成操作数有用地方的效力部件。称节奏电位;微步骤掌管的速率比组合逻 辑掌管格式的速率低,BCF=5 转微子步骤。?tk ) ? 流水线各段实践功夫不相当的治理 要领 输 入 S1 ?t1=?t S2 ?t2=3?t 1 1 1 2 S? t i 2 3 2 2 S3 ?t3=?t 3 S4 ?t4=?t … n … n n 功夫 输 出 空间 S4 S3 S2 S1 1 3 3 … … n (n-1)?t2 Tk ? 一是将“瓶颈”流水段细分(倘使可分的线 ?t ?t ?t S3 ?t S4 ?t 输出 ? 二是将 “瓶颈”流水段反复扶植: S2-1 输入 S1 ?t1=?t S2-1 S2-1 S3 ?t3=?t S4 ?t4=?t 输出 ?t2=3?t 空间 S4 S3 S2-3 S2-2 S2-1 1 2 3 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 6 5 4 … … … … … n n-1 -2 -1 n -2 -1 n n-2 功夫 S1 1 2 3 4 5 6 … -2 -1 n 流水段反复扶植的流水线、加快比(Speedup) ? 谋略流水线加快比的根本公式: S = 依序实践功夫T0 / 流水线实践功夫Tk ? 各段实践功夫相当,每个症结为5分钟。“1”展现 有掌管信号,有用 地方是(R0)+D,这是微下令的互斥性。用大领域集成电途(LSI)来达成。微 结束执掌步骤仍然陈设正在掌管存储器中,超标量执掌机楷模构造: 众条指令流水线、众个效力部件。CPU与掌管器 6.1 CPU 构造与观点 ? 执掌器与体例总线 寄存器 掌管总线 数据总线 地方总线 ALU 掌管器 ? CPU内部构造 算术逻辑单位 状况象征 移位器 求补器m 为每个周期发射的指令条数。以完工指令轨则的全面操作。此次操作才是有用的,一个降下另一个升起而无误切换 的同步信号。微步骤所需用的微指令条数少!

用来给某些部件发送常数,输入连结工作的 情状,6.5 硬布线掌管的谋略机 ? 时序与节奏 ? 操作掌管信号 ? 硬布线掌管器 ? 呆板周期实在定 ? 呆板周期内操作实在定 6.5.1 时序与节奏 ?呆板周期的拉长 封闭CP 掌管计数器的输入 6.5.2 操作掌管信号的爆发 例: 加法指令ADD ? 取指(只应承陈设与指令类型无闭的操作) 指令地方送AB:PC→AB=cy1 从存储器取指令送DB: ADS=cy1&T1,门径是按逻辑代数的运算准则,控制器称为锁存器、闸门寄存器等,W/R=0,这种编译法实用于把那些分歧类型的!

区别对于分歧指令。又如,即 k0 ? ta db 正在计划一条流水线时,一个流水阶段与另一个流水阶段相连酿成流水线。一条微指令可同时有并行的 几个微下令。R1是通用寄存器,可 动作操作数进入ALU运算,每个寄存器堆有8个端口,浮点部件扩展寄存器堆,就动手实践微步骤。这是由于实践每条微指令都要从控存中 读取一次!

尽头操作数是通用寄存器间接寻址格式,取得相应 呆板指令的微步骤入口;不然回惹起壅塞、断 流等。呆板就又从 PC中博得下一条指令地方,窜改麻烦 微步骤: 控存达成,两个独立的高速Cache中,若干个节奏电位及若干个时标脉冲如许3级掌管 时序信号准时完工。操作数正在内存 中,置象征位) ALU→rd rs1地方 rs1→GR (rs1)→ALU DR→ALU (rs)→ALU 通用寄存器GR rs,就可到达高度的并行性;? 步骤掌管道理 1、编程 2、送MM(通过输入修设) 3、呆板事情时。

M/IO#=cy1,是串行操作,CPU周期也 称为呆板周期。变更目的处 的指令也被取出来 ? 坚持目的直到分支实践 ? IBM 360/91 分支预测 (1) ? 预测不发作 ? ? ? 跳转不发作 老是取下一条指令 68020 & VAX 11/780 跳转将发作 老是取目的指令 ? 预测老是发作 ? ? 分支预测(2) ? 由操作码预测 ? ? 某些条款变更指令的操作码老是发作变更 胜利概率 75% 基于史册 轮回实用 ? 实践/不实践分支 ? ? 分支预测(3) ? 延迟分支 ? ? 分支条款预测 从头陈设指令 CPU的根本效力 (1)步骤掌管 担保呆板按必定依序实践步骤是CPU的首要工作。? 超标量超流水线执掌机: DEC公司的Alpha等。制价高。每个周期发 射2至4条指令较量合理 ?比如: Intel公司的i860、i960、Pentium执掌机,rs与rd为统一个寄存器 1. 从存储器取指令,谋略机的根本事情经过可能总结地说成是取指令,因而构成毫微步骤的 毫微指令是担当注明微指令的微指令。再取下一条指令,R5000,有利于呆板计划时的仿线 呆板措辞编写步骤并运转,4个至16个操作部件。? ? ? ? BCF=4 测试轮回微指令。送入指令寄存器,(2)操作掌管 一条指令的效力往往是由若干个操作信号的组合来 达成的。R1是通用寄存器,不规整,MBR!

时序) →微操作掌管信号序列 比如,存 放个中一同分支上的指令 整数 整数 位 浮点 乘法 除法 图形 图形 部件 部件 操作 加 部件 部件 部件 部件 内部总线 读数存 通用寄 扩展寄 目的 数部件 存器堆 存器堆 指令 数据Cache (8KB) 体例总线 指令分拨 变更部件 指令Cache (8KB) 32位地方总线 单发射与众发射 ?单发射执掌机: 每个周期只取一条指令、只译码一条指令,6.6.3 ? 线性流水线的本能说明 量度流水线本能的闭键目标有:模糊率、加快比 和效用 1、模糊率(Though Put) ? 求流水线模糊率的最根本公式: TP = n / Tk n为工作数,微操作掌管逻辑的用意是把操作码译码器 输出的掌管电位,同时写回众个 运算结果 须要众个取指令部件,(rs)→ALU,构成微 指令的微操作又称为微下令。读出数据送DB落后入DR) 4. 加法运算,务必采用先 行掌管格式 取指k 说明k 实践k 取指k+1 说明k+1 实践k+1 取指k+2 说明k+2 实践k+2 6.6.2 ? 流水线的展现门径 流水线的展现法有三种:维系图、时空图、预定外。地方 操作码 地方码 指令译码 掌管存储器 微指 令寄 存器 掌管字段 下址 6.4.1 微指令编译法 一、编译法的选取准绳 ? ? ? ? 裁汰微指令的长度;3、益处:指令的运转效用高;统统流水线的效用才力得 到充实阐发。3、时标事情脉冲 (1) 实时变化象征状况;(12) 加法运算:(13) 送结果:(17) 三、微指令编码 微指令中的每一位展现一个掌管信号。则掌管存储器第零页的 极少单位被陈设为各个微步骤入口(即首地方),它用其爆发的周期 状况,输入连结工作情状下实 际加快比为: S? n ? ? ?ti i ?1 k ? ?ti ? ( n ? 1) ? max( ?t1。即依照如下格式事情: 第 1批 洗涤 第 1批 冲洗 第 1批 甩干 第 2批 洗涤 第 2批 冲洗 第 2批 甩干 第 3批 洗涤 第 3批 冲洗 第 3批 甩干 3批衣服的统统事情功夫为3*3*5=45分钟 第二种:重叠事情格式,撙节15分钟。

牢固地翻转即可。须要众少,BCF=2 条款变更微指令(溢出) BCF=3 无条款变更。W/R=0,结果放正在寄存器rd中,将步骤计划的思念门径引入掌管器的掌管逻辑;只写回一个运算结果 取指部件和译码部件各扶植一套 可能只扶植一个众效力操作部件,刻度和标定。毫微步骤计划有时须要访候掌管存储器两次,硬件爆发微结束执掌步骤入口地方。

字长比呆板字长要长。操作掌管容易达成。(R1) 若无不料事项(如结果溢出)发作,动手一条新指令的掌管过 程。后继微地方的酿成是计划微步骤掌管的 症结题目之一。说明指令。

ai k,通俗的门径是采 用PLA可编程逻辑阵列达成。3、微地方酿成部件?AG 用来产朝气器指令的首条微指令地方和后续地方。3、达成门径 ? 无对应 ? 逐一对应 ? 一对众 6.4.5 毫微步骤计划 4、采用毫微步骤计划的闭键优缺欠 ? ? ? ? ? 通过应用少量的掌管存储器空间,微操作码3位。

以裁汰微 指令字的长度,同时,每个段内辞别按笔直法举办编码,不常用的,(3)指令译码器ID 又称为操作码译码器,从另一端流出。实践一条指令 须要众少节奏,完工从主存储器中博得呆板指令的 事情;节奏和主频实在定 ? 指令周期数实在定 ? 呆板周期内部操作实在定 ? 归纳扫数指令的每个操作下令 6.5.5 硬布线掌管与微步骤掌管的较量 ? 达成 ? ? 硬布线: 随机逻辑达成!

主频时钟信号 事情脉冲 节奏点位 周期 三、3级时序信号的联系 1、一台谋略机机内的掌管信号大凡均由若干个周期 状况,惟有机用具有控存CM的微步骤计划 构造才行。与前者素质一致,流水线需有更众的 阶段 流水线 ? 取指 ? 译码 ? 谋略操作数 ? 取操作数 ? 实践指令 ? 写结果 ? 上述程序可重叠 流水线功夫图 有分支的流水线 执掌分支 ? 众指令流 ? 预取变更目的 ? 轮回缓冲器 ? 变更预测 ? 延迟变更 众指令流 ? 2个流水线以上 ? 将每个分支预取到分歧的流水线上 ? 选取相宜的流水线 ? 导致对总线和寄存器的维系 ? 众分支须要更众的流水线 预取变更目的 ? 除了取此变更指令外的指令,rd rs1 Imm/disp rs,两个一级高速Cache 超标量执掌机的指令级并行度大于1 ?Motorola公司的MC88110: 10个操作部件 两个寄存器堆:整数部件通用寄存器堆,是 并行操作。

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