计算机组成与结构第6章3

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1、（第6章三）计算机组成与结构任课教师：郝尚富河北北方学院信息科学与工程学院Email:zjkcxh5656@163.comTel:13903233105第6章中央处理部件(CPU)6.1计算机的硬件系统6.2控制器的组成6.3微程序控制计算机的基本工作原理6.4微程序设计技术6.5硬布线控制的计算机6.6控制器的控制方式6.7流水线工作原理6.8CPU举例6.9计算机的加电及控制过程本节重难点1.流水线工作原理.2.流水线的相关问题(数据相关和程序相关).6.7流水线工作原理机器的各部分在某些周期内在进行操作，而在某些周期内是空

2、闲的。如果控制器调度恰当，让各个部件紧张工作，可提高计算机运行速度---流水线结构。1．流水线基本工作原理计算机执行程序是按顺序的方式进行的，即程序中各条机器指令是按顺序串行执行的。如按指令部件和执行部件顺序操作来考虑可将程序的执行过程表示成：程序顺序执行的优点:控制简单.程序顺序执行的缺点:机器各部分的利用率不高。指令执行的流水线:一条指令的执行分解成多个子过程,各子过程分别由不同的部件去执行,两条指令或若干条指令的执行在时间上重叠起来进行，将大幅度提高程序的执行速度。对两级流水线:假如每个部件完成操作所需的时间为T，那么尽管

3、每条指令的执行时间为2T，但当第一条指令处理完后，每隔T时间就能得到一条指令的处理结果，相当于把处理速度提高一倍。指令执行不同阶段所需时间的分析:只有在流水线装满的稳定状态下，才能保证最高处理速率。当达不到所有功能段全面忙碌的要求，影响流水线作用的发挥。为了解决这一问题可采用将几个时间较短的功能段合并成一个功能段或将时间较长的功能段分成几段等方法，其目的是最终使各段所需的时间相差不大。运算操作流水线:例如，执行浮点加法运算，可以分成“对阶”，“尾数加”及“结果规格化”三段，每一段设置有专门的逻辑电路完成指定操作，并将其输出保存在

4、锁存器中，作为下一段的输入.2．流水线中的相关问题数据相关(存储器数据相关或寄存器数据相关):同时执行的多条指令间出现对同一单元的“先写后读”的要求.解决数据相关的措施:(1)后推法.推迟读数据的操作.(2)设置相关专用通路，要读的操作数直接从数据处理部件得到，而不是存入后再读取，这样指令能流动起来。3．程序转移对流水线的影响在大多数流水线机器中，当遇到条件转移指令时，确定转移与否的条件码往往由条件转移指令本身或由它前一条指令形成，只有当它流出流水线时，才能建立转移条件并决定下条指令地址。因此当条件转移指令进入流水线后直到确定下

5、一地址之前，流水线不能继续处理后面的指令而处于等待状态，因而影响流水线效率。解决方法:在某些计算机中采用了“猜测法”技术，机器先选定转移分支中的一个，按它继续取指并处理，假如条件码生成后，说明猜测是正确的，那么流水线可继续进行下去，时间得到充分利用，假如猜错了，那么要返回分支点，并要保证在分支点后已进行的工作不能破坏原有现场，否则将产生错误。编译程序可根据硬件上采取的措施，使猜测正确的概率尽量高些。流水线机器处理中断的方法有两种：不精确断点法和精确断点法。“不精确断点法”:对那时还未进入流水线的后续指令不允许其再进入，但已在流水

6、线中的所有指令则仍执行完毕，然后转入中断处理程序。“精确断点法”:不待已进入流水线的指令执行完毕，尽早转入中断处理,需要硬件支持。流水线阻塞:流水线不能连续工作.原因:(1)数据相关:后推法和相关专用通路法.(2)程序转移:猜测法.(3)中断:不精确断点法和精确断点法。6.8CPU举例6.8.1RISC的CPU(自学)本节主要以Sun微系统公司的SPARC结构为例来说明CPU(RISC)的构成，并进一步讲述一些基本原理。SPARC是ScalarableProcessorARChitecture的缩写。其指令系统已在第5章中介绍过

7、。在RISC机的指令系统已确定的前提下，为了达到高速运算的目的，在硬件实施方面采取流水线组织尽量使大多数指令在一个机器周期内完成，并尽量缩短机器周期时间。SPARC的体系结构是Sun微系统公司设计的，但Sun微系统公司本身并不进行集成电路设计，也不进行生产，而有多家半导体厂商为之生产，如：Fujitsu公司、Cypress／Ross公司、德州仪器公司、LSILogic公司等。1.SPARC的逻辑图图6．40是Fujitsu公司于1989年生产的基于SPARC的MB86901芯片的逻辑框图，主频为25MHz。图6．40的右半部分基

8、本上是运算器，左半部分为控制器。ALU是32位算术逻辑运算部件。Shifter是移位器，在一个机器周期内可完成0～31位之间的任意位移位操作。寄存器组Reg．File(或称寄存器集、寄存器文件)的容量为120X32位。算术逻辑指令的源操作数来自寄存器组，运算结果