《CPU的结构和功能》PPT课件

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1、第八章CPU结构和功能8.1CPU的结构8.3指令流水8.2指令周期8.4中断系统8.1CPU的结构一、CPU的功能取指令分析指令执行指令，发出各种操作命令控制程序输入及结果的输出总线管理处理异常情况和特殊请求1.控制器的功能2.运算器的功能实现算术运算和逻辑运算指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断PCIR指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断ALU寄存器中断系统1.使用系统总线的CPUCU时序电路寄存器ALU中断系统CUCPU控制总线数据总线地址总线二、CPU结构框图算术和布尔逻辑取反移

2、位状态标志内部数据总线CPU寄存器CU中断系统ALU控制信号…2.CPU的内部结构1.用户可见寄存器(1)通用寄存器存放操作数可作某种寻址方式所需的专用寄存器(2)数据寄存器存放操作数（满足各种数据类型）两个寄存器拼接存放双倍字长数据(3)地址寄存器存放地址，其位数应满足最大的地址范围用于特殊的寻址方式段基值栈指针(4)条件码寄存器存放条件码，可作程序分支的依据如正、负、零、溢出、进位等三、CPU的寄存器(1)控制寄存器PC控制CPU操作(2)状态寄存器状态寄存器其中MARMDRIR用户不可见存

3、放条件码PSW寄存器存放程序状态字PC用户可见3.举例Z80008086MC68000MARMMDRIR2.控制和状态寄存器1.CU产生全部指令的微操作命令序列组合逻辑设计微程序设计硬连线逻辑存储逻辑2.中断系统参见第四篇五、ALU参见8.4参见第六章四、控制单元CU和中断系统8.2指令周期一、指令周期的基本概念1指令周期取出并执行一条指令所需的全部时间完成一条指令取指、分析取指周期执行周期执行取指阶段执行阶段取指周期执行周期（取指、分析）（执行指令）指令周期2每条指令的指令周期不同取指周期指令

4、周期NOP取指周期执行阶段指令周期ADDmem取指周期执行周期指令周期MULmem3具有间接寻址的指令周期取指周期间址周期指令周期执行周期4带有中断周期的指令周期取指周期间址周期指令周期执行周期中断周期5指令周期流程取指周期有间址吗？执行周期有中断吗？间址周期中断周期是是否否6CPU工作周期的标志CPU访存有四种性质取指令取地址取操作数存程序断点取址周期间址周期执行周期中断周期CPU的四个工作周期DFEDINDDEXDINTCLK1FE1IND1EX1INTIR二、指令周期的数据流1取指周期数据

5、流PCMARCUMDRIR地址总线数据总线控制总线存储器CPU+12间址周期数据流MARCU地址总线数据总线控制总线存储器CPUMDRMDR3执行周期数据流不同指令的执行周期数据流不同4中断周期数据流PCMARCUMDR地址总线数据总线控制总线存储器CPU8.3指令流水一、如何提高机器速度1提高访存速度高速芯片Cache多体并行2提高I/O和主机之间的传送速度中断DMA通道多总线I/O处理机3提高运算器速度高速芯片改进算法快速进位链提高整机处理能力高速器件改进系统结构，开发系统的并行性二、系统的

6、并行性1并行的概念并行并发同时两个或两个以上事件在同一时间段发生两个或两个以上事件在同一时刻发生时间上互相重叠2并行性的等级过程级（程序、进程）指令级（指令之间）粗粒度细粒度软件实现硬件实现三、指令流水原理1指令的串行执行2指令的二级流水执行指令1取指令1取指令取指令部件完成执行指令执行指令部件完成总有一个部件空闲取指令1执行指令1执行指令2取指令2执行指令3取指令3指令预取若取指和执行阶段时间上完全重叠指令周期减半速度提高1倍执行指令3取指令3…执行指令2取指令23影响指令流水效率加倍的因素（

7、1）执行时间>取指时间执行指令部件取指令部件执行部件缓冲区（2）条件转移指令对指令流水的影响必须等上条指令执行结束，才能确定下条指令的地址造成时间损失猜测法解决办法？4指令的六级流水1234567891011121314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9tFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWO完成一条

8、指令串行执行六级流水6个单位时间14个单位时间54单位时间三、影响指令流水性能的因素1234567891011121314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9tFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWOFIDICOFOEIWO1访存冲突指令1与指令4冲突指令2与指令5冲突指令1、指令3、指令6冲突……解决办法指令存储器和数据存储器