(4.9)--第八章 CPU的结构和功能.ppt

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1、第八章第八章CPU的结构和功能的结构和功能8.1CPU的结构的结构8.3指令流水指令流水8.2指令周期指令周期uCPU的功能和组成的功能和组成u控制控制器的组成和实现方法器的组成和实现方法u指令周期的概念指令周期的概念u指令流水的原理指令流水的原理u指令流水的性能要素指令流水的性能要素u流水线的关键技术流水线的关键技术教学内容教学内容理解：理解：CPU的功能和主要寄存器的功能和主要寄存器理解：理解：控制器的基本组成控制器的基本组成理解：指令周期、机器周期的概念理解：指令周期、机器周期的概念理解理解：指令执行的基本过程指令执行的基本过程掌握：取指周期的微操作序列掌握：取指周期的微操作序列理解：指

2、令流水的原理理解：指令流水的原理掌握：影响指令流水的因素掌握：影响指令流水的因素了解：流水线关键技术了解：流水线关键技术教学要求教学要求计算机的核心组成部分是计算机的核心组成部分是CPU，它由，它由运运算器算器和和控制器控制器组成。控制器根据指令指挥和组成。控制器根据指令指挥和协调计算机各部件有条不紊地工作，由操作协调计算机各部件有条不紊地工作，由操作控制器和时序控制器组成。控制器和时序控制器组成。本章着重讨论本章着重讨论CPU的功能和组成，控制的功能和组成，控制器的工作原理和实现方法，器的工作原理和实现方法，基本控制单元的基本控制单元的设计以及先进的设计以及先进的CPU系统设计技术。系统设计

3、技术。运算器和控制器共同构成运算器和控制器共同构成CPU，它是计算机系，它是计算机系统的核心。计算机接通电源后，如果没有程序就不会统的核心。计算机接通电源后，如果没有程序就不会工作，程序必须编译成计算机所能识别的机器指令后，工作，程序必须编译成计算机所能识别的机器指令后，装入内存，才可以由计算机来自动完成取指令、译码装入内存，才可以由计算机来自动完成取指令、译码和执行指令等任务。这些工作都是由和执行指令等任务。这些工作都是由CPU来完成的。来完成的。8.1CPU的的结构结构1.CPU的功能的功能CPU的基本功能的基本功能：取指令取指令、分析指令分析指令、执行指令执行指令。l从内存中取出下一条指

4、令到指令寄存器中，并将从内存中取出下一条指令到指令寄存器中，并将程序计数器加程序计数器加1。l分析刚刚取到的指令的类型和操作数地址的形成分析刚刚取到的指令的类型和操作数地址的形成方式；计算操作数的有效地址；若操作数位于内方式；计算操作数的有效地址；若操作数位于内存中，则对该内存单元进行寻址存中，则对该内存单元进行寻址。l执行指令所需的操作。执行指令所需的操作。指令控制：指令控制：由于程序是一个指令序列，这些指由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，严格按程序规定的顺令的相互顺序不能任意颠倒，严格按程序规定的顺序进行。因此，保证机器按顺序执行程序是序进行。因此，保证机器按顺序执行

5、程序是CPU的的首要任务。首要任务。操作控制：操作控制：一条指令的功能往往是由若干个操一条指令的功能往往是由若干个操作信号组合实现的。因此，作信号组合实现的。因此，CPU由内存取出每条指由内存取出每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行操作。从而控制这些部件按指令的要求进行操作。CPU的的详细作用：详细作用：时间控制：时间控制：因为在计算机中，各种指令的操作因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。

6、只有这样，的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。计算机才能有条不紊地自动工作。数据加工：数据加工：完成数据的加工处理是完成数据的加工处理是CPU的根本的根本任务。因为原始信息只有经过加工处理后才能对人任务。因为原始信息只有经过加工处理后才能对人们有用。们有用。2.CPU结构框图结构框图CPU由由运运算器算器和和控控制器制器组成组成控制器由控制器由程序计数器程序计数器(PC)、指令寄存器指令寄存器(IR)、指指令译码器令译码器、时序产生器时序产生器和和操作控制器操作控制器五部分组成。其五部分组成。其主要任务有以下三点：主要任务有以下三点：（1）取指：）取指：

7、从主存中取出一条指令，存放到指令从主存中取出一条指令，存放到指令寄存器中，指令的操作码部分送指令译码器，并修改寄存器中，指令的操作码部分送指令译码器，并修改程序计数器，指出下一条指令在主存中的存放地址。程序计数器，指出下一条指令在主存中的存放地址。（2）译码并产生操作控制信号。）译码并产生操作控制信号。在译码器中对在译码器中对指令的操作码进行识别和解释，译码信号在操作控制指令的操作码进行识别和解释，译码信号在操作控制器中配上时序信号产生相应的操作控制命令，启动相器中配上时序信号产生相应的操作控制命令，启动相应的部件，完成指令规定的动作。应的部件，完成指令规定的动作。（3）数据流控制。）数据流控

8、制。指挥和控制指挥和控制CPU、主存以及、主存以及输入输入/输出部件之间的数据流动方向。输出部件之间的数据流动方向。指令寄存器（指令寄存器（IR）：）：用来存放由内存取出的指用来存放由内存取出的指令，在指令执行过程中指令一直保存在令，在指令执行过程中指令一直保存在IR中。指中。指令是控制工作的依据，令是控制工作的依据，IR内容的改变就意味着一内容的改变就意味着一条新指令的开始。条新指令的开始。程序计数器（程序计数器（PC）：）：用来存放即将执行的指令用来存放即将执行的指令地址，具有计数器的功能，地址，具有计数器的功能，PC的值是程序执行位的值是程序执行位置的体现。当程序开始执行时，置的体现。当

9、程序开始执行时，PC内装载程序的内装载程序的起始位置。起始位置。当程序顺序执行时，每执行一条指令当程序顺序执行时，每执行一条指令PC增加一增加一个量，这个量等于指令所含的字节数（这就是为什个量，这个量等于指令所含的字节数（这就是为什么称为程序计数器的原因）。么称为程序计数器的原因）。当程序转移时，转移指令执行的最终结果就是要当程序转移时，转移指令执行的最终结果就是要改变改变PC的值，此的值，此PC值就是转去的地址，以此实现转值就是转去的地址，以此实现转移。在有些机器中移。在有些机器中PC也被称为指令指针也被称为指令指针（InstructionPointer，IP）。时序部件：时序部件：用于产生

10、计算机系统所需的各种时用于产生计算机系统所需的各种时序（定时）信号，计算机中的各种控制信号都有很序（定时）信号，计算机中的各种控制信号都有很强的定时性。指令告诉计算机做什么，由时序线路强的定时性。指令告诉计算机做什么，由时序线路确定什么时候去做。确定什么时候去做。时序线路由脉冲源、启停线路负责时钟信号的时序线路由脉冲源、启停线路负责时钟信号的通断。时序形成线路负责生成周期信号，节拍信号通断。时序形成线路负责生成周期信号，节拍信号和节拍脉冲信号。和节拍脉冲信号。状态字寄存器（状态字寄存器（PSW）：）：PSW用来存放两用来存放两类信息：类信息：一类是体现当前指令执行结果的各种状态信一类是体现当前

11、指令执行结果的各种状态信息。例如：进位息。例如：进位-CF、溢出、溢出-OF、结果正负、结果正负-SF、结果是否为零结果是否为零-ZF、奇偶标志、奇偶标志-PF等。等。另一类是存放控制信息，例如：中断另一类是存放控制信息，例如：中断-IF、跟踪标志跟踪标志-TF等。等。微操作形成部件：微操作形成部件：根据根据IR的内容（指令）、的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）以及时序线路的内容（状态信息）以及时序线路3方面的内容，由微方面的内容，由微操作控制形成部件产生控制整个计算机系统所需要的操作控制形成部件产生控制整个计算机系统所需要的各种控制信号（也称微命令或微操作）。各种控制信号（也称微命令或

12、微操作）。操作形成方式有操作形成方式有组合逻辑组合逻辑和和微程序微程序两种方式，其两种方式，其形成部件的结构也大不相同。根据微操作的形成方式形成部件的结构也大不相同。根据微操作的形成方式可将控制器分为可将控制器分为组合逻辑控制器组合逻辑控制器（或硬布线控制器）（或硬布线控制器）和和微程序控制器微程序控制器两大类。两大类。操作控制器的组成操作控制器的组成运算器由运算器由算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）、累加器累加器、数数据缓冲寄存器据缓冲寄存器、寄存器组寄存器组和和状态寄存器状态寄存器组成，它是组成，它是数据加工处理部件。数据加工处理部件。运算器接受控制器的命令完成具体的数据加工运算器接受控

13、制器的命令完成具体的数据加工任务。任务。运算器对累加器和数据缓冲寄存器的内容进行运算器对累加器和数据缓冲寄存器的内容进行算术运算或逻辑运算，运算的结果保存到累加器中，算术运算或逻辑运算，运算的结果保存到累加器中，并建立相应的状态标志存放到状态寄存器中。并建立相应的状态标志存放到状态寄存器中。总线接口单元总线接口单元BIU：负责完成负责完成CPU与存储器与存储器或或I/O设备之间的数据传送。设备之间的数据传送。任务：读指令、读任务：读指令、读操作数、写操作数。操作数、写操作数。执行单元执行单元EU：执行单元：执行单元EU不与系统外部不与系统外部直接相连，主要负责执行指令。直接相连，主要负责执行指

14、令。任务：指令译码、任务：指令译码、执行指令、向执行指令、向BIU传送偏移地址信息、管理通用传送偏移地址信息、管理通用寄存器和标志寄存器。寄存器和标志寄存器。3.CPU中的主要寄存器中的主要寄存器用户可见寄存器（用户可见寄存器（User-VisibleRegister）：）：允允许机器语言或汇编语言的编程人员通过优化寄存器许机器语言或汇编语言的编程人员通过优化寄存器的使用而减少对主存的访问。的使用而减少对主存的访问。主要包括主要包括通用寄存器通用寄存器、数据寄存器数据寄存器、地址寄存地址寄存器器、条件寄存器条件寄存器。通用寄存器（通用寄存器（GeneralPurposeRegister）：）：

15、可可被程序员指派各种用途。有时它们在指令集中用于被程序员指派各种用途。有时它们在指令集中用于正在进行操作的对象，即任何通用寄存器能为任何正在进行操作的对象，即任何通用寄存器能为任何操作码容纳操作数。这提供了真正通用的意义。操作码容纳操作数。这提供了真正通用的意义。数据寄存器：数据寄存器：仅用于保持数据而不能用于操作仅用于保持数据而不能用于操作数地址的计算。数地址的计算。地址寄存器：地址寄存器：可以是自身有某些通用性，或是可以是自身有某些通用性，或是专用于某种具体的寻址方式。专用于某种具体的寻址方式。条件代码（条件代码（ConditionCodes）寄存器：）寄存器：也被称也被称为程序状态字（为

16、程序状态字（ProgramStatusWord，PSW），），CPU硬件设置这些条件位作为操作的结果。硬件设置这些条件位作为操作的结果。控制和状态寄存器控制和状态寄存器(ControlAndStatusRegister)：用来控制用来控制CPU的操作，并被特权的操作系统程序用于控的操作，并被特权的操作系统程序用于控制程序的执行。制程序的执行。主要包括：程序计数器（主要包括：程序计数器（PC）、指令寄存器）、指令寄存器（IR）、存储地址寄存器（）、存储地址寄存器（MAR）、存储数据寄存器）、存储数据寄存器（MDR）。）。u程序计数器（程序计数器（PC）：）：含有待取指令的地址。含有待取指令的地址

17、。u指令寄存器（指令寄存器（IR）：）：含有最近取来的指令。含有最近取来的指令。u存储地址寄存器（存储地址寄存器（MAR）：）：含有存储器位含有存储器位置的地址。置的地址。u存储缓冲寄存器（存储缓冲寄存器（MBR）：）：也称为存储数据也称为存储数据寄存器（寄存器（MDR），含有将被写入存储器的数），含有将被写入存储器的数据字或最近读出的字。据字或最近读出的字。常用常用CPU结构的名词缩写结构的名词缩写4.简单简单CPU模型模型CPU中的每一类寄存器完成一种特定的功中的每一类寄存器完成一种特定的功能。然而信息怎样才能在各寄存器之间传输？能。然而信息怎样才能在各寄存器之间传输？即数据的流动是由什么

18、部件控制的？即数据的流动是由什么部件控制的？通常把许多寄存器之间传输信息的通路称通常把许多寄存器之间传输信息的通路称为为数据通路数据通路。信息从什么地方开始，中间经过。信息从什么地方开始，中间经过哪些寄存器，最后传输到哪个寄存器，都要加哪些寄存器，最后传输到哪个寄存器，都要加以控制。在各个寄存器之间建立数据通路主要以控制。在各个寄存器之间建立数据通路主要由由操作控制器操作控制器完成的。完成的。操作控制器的功能：操作控制器的功能：根据指令操作码根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地选择数据通路，把有关数据传入便正确地选择数据通路，把有关数据

19、传入到一个寄存器，从而完成取指令和执行指到一个寄存器，从而完成取指令和执行指令的控制。令的控制。操作控制器分为操作控制器分为时序逻辑型时序逻辑型和和存储存储逻辑型逻辑型。第一种：硬布线控制器，它是采用第一种：硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的。时序逻辑技术来实现的。优点：优点：速度快。速度快。缺点：缺点：结构不规整，设计、调试、结构不规整，设计、调试、维护较困难。维护较困难。第二种：微程序控制器，它是采用第二种：微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的。存储逻辑来实现的。优点：优点：设计规整，调试、维护、扩设计规整，调试、维护、扩充指令方便。充指令方便。操作控制器产生的控制信号必须定时，

20、操作控制器产生的控制信号必须定时，为此必须有时序产生器。因为计算机高速地为此必须有时序产生器。因为计算机高速地进行工作，每一个动作的时间是非常严格的，进行工作，每一个动作的时间是非常严格的，不能太早也不能太迟。不能太早也不能太迟。时序产生器的作用：时序产生器的作用：就是对各种操作信就是对各种操作信号实施时间上的控制。号实施时间上的控制。性格决定命运，选择改变人生。品格如同性格决定命运，选择改变人生。品格如同树木，名誉如同树阴，有什么样的树就有什么树木，名誉如同树阴，有什么样的树就有什么样的树阴，穷则思变，差则思勤。没有比人更样的树阴，穷则思变，差则思勤。没有比人更高的山，没有比脚更长的路。能力

21、是挥出去的高的山，没有比脚更长的路。能力是挥出去的一把利剑，素质则是握住剑柄的手。一把利剑，素质则是握住剑柄的手。心灵鸡汤心灵鸡汤8.2指令周期指令周期指令周期：指令周期：指从取指令、分析取数到执行完该指从取指令、分析取数到执行完该指令所需的全部时间。由于各种指令的操作功能不指令所需的全部时间。由于各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周期不尽相同。期不尽相同。机器周期：机器周期：通常把一个指令周期划分为若干个通常把一个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期完成一个基本操作。又称机器周期，每个机器周期完成一个基本操作。又称

22、CPU周期。周期。一般机器的一般机器的CPU周期有周期有取指周期取指周期、取数周期取数周期、执行周期执行周期、中断周期中断周期等。所以有：等。所以有：指令周期指令周期n机器周期机器周期总线周期总线周期：CPU访问一次主存就发生一次总线访问一次主存就发生一次总线传输传输。不同的指令周期中所包含的机器周期数差别可不同的指令周期中所包含的机器周期数差别可能很大。一般情况下，一条指令所需的最短时间为能很大。一般情况下，一条指令所需的最短时间为两个机器周期：两个机器周期：取指周期取指周期和和执行周期执行周期。时钟周期时钟周期：计算机中的最小时间单位，是计算机中的最小时间单位，是按一定频率产生的方波或矩形

23、波按一定频率产生的方波或矩形波。一般而言，一般而言，CPU周期有取指周期、间址周周期有取指周期、间址周期、执行周期、中断周期等。每个机器周期都期、执行周期、中断周期等。每个机器周期都有一个与之对应的标志触发器有一个与之对应的标志触发器，有利于控制单，有利于控制单元的设计。元的设计。通常，每个机器周期都有一个与之对应的周期状通常，每个机器周期都有一个与之对应的周期状态触发器。机器运行在不同的机器周期时，其对应的态触发器。机器运行在不同的机器周期时，其对应的周期状态触发器被置周期状态触发器被置“1”。显然，在机器运行的任何。显然，在机器运行的任何时刻只能处于一种周期状态，因此，有一个且仅有一时刻只

24、能处于一种周期状态，因此，有一个且仅有一个触发器被置个触发器被置“1”。定长机器周期定长机器周期：以最复杂的机器周期为基准定以最复杂的机器周期为基准定义节拍数，每个机器周期都使用相同数量的节拍，义节拍数，每个机器周期都使用相同数量的节拍，具有相等的时间间隔。具有相等的时间间隔。不定长机器周期不定长机器周期：根据机器周期的实际需要定根据机器周期的实际需要定义节拍数，每个机器周期所包含的节拍数并不相等，义节拍数，每个机器周期所包含的节拍数并不相等，具有不同的时间间隔。具有不同的时间间隔。例例1：简述时钟周期、机器周期、指令周期的概念及：简述时钟周期、机器周期、指令周期的概念及三者之间的关系？三者之

25、间的关系？时钟周期：时钟周期：称为称为振荡周期振荡周期，时钟脉冲的倒数时钟脉冲的倒数，是，是计算机中最基本的、最小的时间单位。计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若作。对于某种单片机，若采用了采用了1MHZ的时钟频率，的时钟频率，则时钟周期为则时钟周期为1us；若；若采用采用4MHZ的时钟频率，则时钟的时钟频率，则时钟周期为周期为250ns。计算机通常把一条指令的执行过程划分为若计算机通常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如：取指令、存

26、储器读、存储器写等，每例如：取指令、存储器读、存储器写等，每一项工作称为一个基本操作。一项工作称为一个基本操作。机器周期：机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。完成一个基本操作所需要的时间。一般情况下，一个机器周期由若干个一般情况下，一个机器周期由若干个S周期（状态周期（状态周期）组成。周期）组成。指令周期：指令周期：执行一条指令所需要的时间，执行一条指令所需要的时间，一般一般由若干个机器周期组成。由若干个机器周期组成。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要

27、其它的机器周期。再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。例例2：能不能说机器的主频越快，机器的速度就能不能说机器的主频越快，机器的速度就越快，为什么？越快，为什么？解：不能说机器的主频越快，机器的速度就解：不能说机器的主频越快，机器的速度就越快。因为机器的速度不仅与主频有关。越快。因为机器的速度不仅与主频有关。还与数据通路结构、时序分配方案、还与数据通路结构、时序分配方案、ALU运运算能力、指令功能强弱等多种因素有关，要看综算能力、指令功能强弱等多种

28、因素有关，要看综合效果。合效果。例例3：某：某CPU的主频为的主频为8MHz，若已知每个机器平，若已知每个机器平均包含均包含4个时钟周期，该机的平均指令执行速度为个时钟周期，该机的平均指令执行速度为0.8MIPS，试求该机的平均指令周期及每个指令周，试求该机的平均指令周期及每个指令周期含几个机器周期？期含几个机器周期？若改用时钟周期为若改用时钟周期为0.4s的的CPU芯片，则计算芯片，则计算机的平均指令执行速度为多少机的平均指令执行速度为多少MIPS？若要得到平？若要得到平均每秒均每秒40万次的指令执行速度，则应采用主频为万次的指令执行速度，则应采用主频为多少的多少的CPU芯片？芯片？解：由主

29、频为解：由主频为8MHz，得到时钟周期为：，得到时钟周期为：(1/8)s=0.125s，机器周期为：机器周期为：0.125s4=0.5s。（1）根据平均指令执行速度为根据平均指令执行速度为0.8MIPS，得到，得到平均指令周期为平均指令周期为(1/0.8)s=1.25s。（2）每个指令周期含每个指令周期含1.25/0.5=2.5个机器周期。个机器周期。（3）若改用时钟周期为若改用时钟周期为0.4s的的CPU芯片，即主芯片，即主频为频为(1/0.4)MHz=2.5MHz，则根据平均指令速度与机器主频有关，得平则根据平均指令速度与机器主频有关，得平均指令执行速度为均指令执行速度为(0.8MIPS2

30、.5MHz)/8MHz=0.25MIPS（4）若要得到平均每秒若要得到平均每秒40万次的指令执行速度，万次的指令执行速度，即即0.4MIPS，则则CPU芯片的主频应为芯片的主频应为(8MHz0.4MIPS)/0.8MIPS=4MHz例例4：某计算机的主频为：某计算机的主频为6MHz，各类指令的平均，各类指令的平均执行时间和使用频度如下表所示，试计算该机的执行时间和使用频度如下表所示，试计算该机的速度（单位用速度（单位用MIPS表示），若上述表示），若上述CPU芯片升级芯片升级为为10MHz，则该机的速度又为多少？，则该机的速度又为多少？指令类别指令类别存取存取加、减、比加、减、比较、转移较、转

31、移乘除乘除其它其它平均指令执平均指令执行时间行时间0.6s0.8s10s1.4s使用频度使用频度35%45%5%15%解解:（1）指令平均运行时间）指令平均运行时间=(0.60.35+0.80.45+100.05+1.40.15)s=1.28s机器平均运行速度机器平均运行速度=1/1.28s0.78MIPS（2）时钟周期）时钟周期=1/6MHz0.167s指令平均运行周期数指令平均运行周期数=1.28s0.167s7.66CPI若若CPU芯片升级为芯片升级为10MHz：时钟周期时钟周期=1/10MHz=0.1s指令平均运行时间指令平均运行时间=0.1s7.66=0.766s机器平均运行速度机器

32、平均运行速度=1/0.766s1.3MIPS8.3指令运行的基本过程指令运行的基本过程任务：任务：将现行指令从主存中取出来并送至指令寄将现行指令从主存中取出来并送至指令寄存器中去存器中去。具体的操作如下：。具体的操作如下：将程序计数器（将程序计数器（PC）中的内容送至存储器地）中的内容送至存储器地址寄存器（址寄存器（MAR），并送地址总线（），并送地址总线（AB）。）。由控制单元（由控制单元（CU）经控制总线（）经控制总线（CB）向存）向存储器发读命令。储器发读命令。1.取指令阶段取指令阶段从主存中取出的指令通过数据总线（从主存中取出的指令通过数据总线（DB）送到）送到存储器数据寄存器（存储器

33、数据寄存器（MDR）。）。将将MDR的内容送至指令寄存器（的内容送至指令寄存器（IR）中。）中。将将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备。的内容递增，为取下一条指令做好准备。以上这些操作对任何一条指令来说都是必须要以上这些操作对任何一条指令来说都是必须要执行的操作，所以称为执行的操作，所以称为公共操作公共操作。完成取指阶段任。完成取指阶段任务的时间称为务的时间称为取指周期取指周期。取指周期的数据流取指周期的数据流MDRCUMARPCIR存储器存储器CPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线IR+1PC中存放现行指令的地址，该地址送到中存放现行指令的地址，该地址送到MAR并送至地址

34、总线，然后由控制部件并送至地址总线，然后由控制部件CU向存储器发向存储器发读命令，使对应读命令，使对应MAR所指单元的内容经数据总线所指单元的内容经数据总线送至送至MDR，再送至，再送至IR，并且，并且CU控制控制PC内容加内容加1，形成下一条指令的地址。形成下一条指令的地址。2.分析取数阶段分析取数阶段取出指令后，指令译码器取出指令后，指令译码器ID可可识别识别和和区分区分出不出不同的指令类型。此时计算机进入分析取数阶段，以同的指令类型。此时计算机进入分析取数阶段，以获取操作数。获取操作数。由于各条指令功能不同，寻址方式也不同，所由于各条指令功能不同，寻址方式也不同，所以分析取数阶段的操作是

35、各不相同的。以分析取数阶段的操作是各不相同的。完成分析阶段任务的时间又可以细分为完成分析阶段任务的时间又可以细分为间址周期间址周期、取数周期取数周期等。等。MDRCUMARCPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线PCIR存储器存储器MDR间址周期的数据流间址周期的数据流一旦取指周期结束，一旦取指周期结束，CU便检查便检查IR的内容，以的内容，以确定其是否有间址操作，如果需要间址操作，则确定其是否有间址操作，如果需要间址操作，则MDR中指示形式地址的右中指示形式地址的右N位将被送到位将被送到MAR，又，又送至地址总线，此后送至地址总线，此后CU向存储器发读命令，以获向存储器发读命令

36、，以获取有效地址并存至取有效地址并存至MDR。3.执行阶段执行阶段完成指令规定的各种操作，形成稳定的运算完成指令规定的各种操作，形成稳定的运算结果，并将其存储起来。完成执行阶段任务的时结果，并将其存储起来。完成执行阶段任务的时间称为间称为执行周期执行周期。计算机的基本工作过程：取指令、取数、执计算机的基本工作过程：取指令、取数、执行指令，然后再取下一条指令行指令，然后再取下一条指令如此周而复始，如此周而复始，直至遇到停机指令或外来的干预为止。直至遇到停机指令或外来的干预为止。执行周期的数据流执行周期的数据流由于不同的指令在执行周期的操作不同，因此由于不同的指令在执行周期的操作不同，因此执行周期

37、的数据流是多种多样的，可能涉及执行周期的数据流是多种多样的，可能涉及CPU内内部寄存器间的数据传送、对存储器进行读写操作或部寄存器间的数据传送、对存储器进行读写操作或对对ALU的操作。的操作。因此，无法用统一的数据流图表示。因此，无法用统一的数据流图表示。MDRCUMARCPU地地址址总总线线数数据据总总线线控控制制总总线线PC存储器存储器中断周期的数据流中断周期的数据流由由CU把用于保存程序断点的存储器特殊地址送把用于保存程序断点的存储器特殊地址送往往MAR，并送到地址总线上，然后由，并送到地址总线上，然后由CU向存储器发向存储器发写命令，并将写命令，并将PC的内容（程序断点）送到的内容（程

38、序断点）送到MDR，最，最终使程序断点经数据总线存入存储器。终使程序断点经数据总线存入存储器。8.4指令流水指令流水随着计算机系统的发展，特别是集成电路工艺随着计算机系统的发展，特别是集成电路工艺上的改进，可以实现更高的性能。另外，上的改进，可以实现更高的性能。另外，CPU组织组织的增强也能改善性能。例如使用多个寄存器而不是的增强也能改善性能。例如使用多个寄存器而不是单一的累加器；使用高速缓存等。单一的累加器；使用高速缓存等。另外一种使用非常普遍的组织方法是另外一种使用非常普遍的组织方法是指令流水线指令流水线技术技术。指令流水类似于工厂中装配线的使用。装配线指令流水类似于工厂中装配线的使用。装

39、配线利用了这样一个事实，即一个产品要通过几个制作利用了这样一个事实，即一个产品要通过几个制作步骤。步骤。通过把制作过程安排在一条装配线上，产品能通过把制作过程安排在一条装配线上，产品能在各个阶段同时被加工。这种过程被称为流水处理在各个阶段同时被加工。这种过程被称为流水处理（Pipelining），因为作为一条流水线，在先前接收），因为作为一条流水线，在先前接收的输入已成为加工的结果出现在另一端时，新的输的输入已成为加工的结果出现在另一端时，新的输入又在一端被接收进来。入又在一端被接收进来。将这种概念施加到指令的执行上，必须认识到，将这种概念施加到指令的执行上，必须认识到，事实上一条指令的执行也

40、是分成几个步骤。事实上一条指令的执行也是分成几个步骤。作为一个简化的方法，考虑将指令处理分成两个作为一个简化的方法，考虑将指令处理分成两个阶段：取指令和执行指令。在一条指令执行期间，有阶段：取指令和执行指令。在一条指令执行期间，有主存未被存取的时间。这个时间能用于取下一条指令，主存未被存取的时间。这个时间能用于取下一条指令，从而这个取与当前指令的执行并行工作。从而这个取与当前指令的执行并行工作。1.指令流水的特征指令流水的特征u同时性同时性：指两个或两个以上的事件在同指两个或两个以上的事件在同一时刻发生。一时刻发生。u并发性并发性：指两个或两个以上的事件在同指两个或两个以上的事件在同一时间间隔

41、内发生一时间间隔内发生流水线性能。流水线性能。空间并行空间并行：指将同一任务分解为空间上相互指将同一任务分解为空间上相互独立的多个处理过程，使用多套相同的硬件设备独立的多个处理过程，使用多套相同的硬件设备实现并行处理，提高其处理速度。实现并行处理，提高其处理速度。时间并行时间并行：指将同一任务分解为时间上相互指将同一任务分解为时间上相互独立的多个处理过程，轮流使用同一套硬件设备独立的多个处理过程，轮流使用同一套硬件设备的各个部件，充分发挥硬件的利用率而提高处理的各个部件，充分发挥硬件的利用率而提高处理速度。速度。2.指令流水线指令流水线原理原理洗衣房作业洗衣房作业洗衣房作业洗衣房作业指令指令串

42、行执行串行执行指令重叠执行指令重叠执行指令流水线指令流水线中中指令的处理过程指令的处理过程：u取指令（取指令（FI）：）：从存储器取出一条指令并暂存在从存储器取出一条指令并暂存在指令部件的指令缓冲区指令部件的指令缓冲区。u指令译码（指令译码（DI）：）：确定操作类型及操作数地址的确定操作类型及操作数地址的形成方式形成方式。u计算操作数地址（计算操作数地址（CO）：）：计算操作数的有效地计算操作数的有效地址，涉及寄存器间接、基址、变址、相对寻址等址，涉及寄存器间接、基址、变址、相对寻址等各种地址计算方式。各种地址计算方式。u取操作数（取操作数（FO）：）：如果操作数不在寄存器中，如果操作数不在寄

43、存器中，则计算操作数的有效地址，并从存储器中取操则计算操作数的有效地址，并从存储器中取操作数作数。u执行指令（执行指令（EI）：）：执行指令规定的操作执行指令规定的操作。u结果写回（结果写回（WO）：）：将执行结果写入存储器中。将执行结果写入存储器中。非流水执行时空图非流水执行时空图理想流水执行时空图理想流水执行时空图4.流水线的特点流水线的特点（1）流水线实际上是把流水线实际上是把一个功能部件分解为多一个功能部件分解为多个独立的子功能部件个独立的子功能部件，并且依靠多个子功能部件的，并且依靠多个子功能部件的并行工作来缩短所有任务的执行时间并行工作来缩短所有任务的执行时间。（2）流水线有助于流

44、水线有助于提高所有任务（整个程序）提高所有任务（整个程序）的吞吐率的吞吐率，但并没有减少每个指令的执行时间，但并没有减少每个指令的执行时间。（3）流水线的各个功能段所需的流水线的各个功能段所需的时间应尽量相时间应尽量相等等，否则时间长的功能段将成为流水线的，否则时间长的功能段将成为流水线的“瓶颈瓶颈”，造成流水线的，造成流水线的“阻塞阻塞”，降低执行效率，降低执行效率。（4）流水线开始需要流水线开始需要“装填装填”和最后需要和最后需要“排排空空”的时间，只有在的时间，只有在处理连续不断地任务处理连续不断地任务时才能发时才能发挥其效率。挥其效率。5.流水线分类流水线分类单功能流水线：单功能流水线

45、：只能完成一种固定功能的流只能完成一种固定功能的流水线。水线。多功能流水线：多功能流水线：同一流水线的各个段之间可同一流水线的各个段之间可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。或者在同一时间完成不同的功能。（1）按照流水线所完成的功能来分类）按照流水线所完成的功能来分类静态流水线：静态流水线：在同一时间内，流水线的各段只能按在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。同一种功能的连接方式工作。动态流水线：动态流水线：在同一时间内，当某些段上在实现某在同一时间内，当某些段上在实现某种运算（如定点乘法）时

46、，另一些段却在实现另一种种运算（如定点乘法）时，另一些段却在实现另一种运算（如浮点加法），这样就不是非得相同运算的一运算（如浮点加法），这样就不是非得相同运算的一串操作才能流水处理。目前，绝大多数的流水线是静串操作才能流水处理。目前，绝大多数的流水线是静态流水线。态流水线。（2）按照同一时间内各段之间的连接方式来分类）按照同一时间内各段之间的连接方式来分类部件级流水线：部件级流水线：又叫运算操作流水线。它是把又叫运算操作流水线。它是把处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型处理机的算术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。进行流水操作。处理机级流水线：处理机级流水线：又叫指令流水线

47、。它是把解又叫指令流水线。它是把解释指令的过程按照流水方式处理。因为处理机要处释指令的过程按照流水方式处理。因为处理机要处理的主要时序过程就是解释指令的过程，这个过程理的主要时序过程就是解释指令的过程，这个过程当然也可分解为若干个子过程。把它们按照流水当然也可分解为若干个子过程。把它们按照流水（时间重叠）方式组织起来，就能使处理机重叠地（时间重叠）方式组织起来，就能使处理机重叠地解释多条指令。解释多条指令。（3）按照流水的级别来进行分类）按照流水的级别来进行分类处理机间流水线：处理机间流水线：又叫宏流水线。它是由又叫宏流水线。它是由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处两个以上的处理机串行地

48、对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。理，每个处理机完成一项任务。第一个处理机对输入的数据流完成任务第一个处理机对输入的数据流完成任务1的处理，其结果存入存储器中，它又被第二个的处理，其结果存入存储器中，它又被第二个处理机取出进行任务处理机取出进行任务2的处理的处理依此类推。依此类推。线性流水线：线性流水线：指流水线的各段串行连接且没指流水线的各段串行连接且没有反馈回路。有反馈回路。非线性流水线：非线性流水线：指流水线中除有串行连接的通指流水线中除有串行连接的通路处，还有反馈回路或前馈回路。路处，还有反馈回路或前馈回路。（4）按照流水线中是否有反馈回路来进行分类）按照流水线中是否有反馈

49、回路来进行分类标量流水线：标量流水线：如果计算机中只有一条指令流水如果计算机中只有一条指令流水线。线。超标量流水线：超标量流水线：指具有两条以上的指令流水线，指具有两条以上的指令流水线，在一个时钟周期可执行一条以上的指令。在一个时钟周期可执行一条以上的指令。超流水线：超流水线：是通过细化流水、提高主频，使得是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作。在一个机器周期内完成一个甚至多个操作。（5）按照计算机同一时间执行指令的多少分类）按照计算机同一时间执行指令的多少分类一户农家养了一只母鸡，每天下一个鸡蛋。则存一户农家养了一只母鸡，每天下一个鸡蛋。则存在三种消费方案在三种消

50、费方案：（：（1）坚持一天吃一个蛋坚持一天吃一个蛋收支平收支平衡；（衡；（2）把鸡杀了吃掉）把鸡杀了吃掉透支；（透支；（3）坚持在一段）坚持在一段时期内少吃鸡蛋，省出时期内少吃鸡蛋，省出10个孵成小鸡，如果成活个孵成小鸡，如果成活8只，只，有有4只母鸡，只母鸡，4只公鸡，过些日子可以一天吃只公鸡，过些日子可以一天吃5个鸡蛋，个鸡蛋，遇上特殊的日子还可以杀只公鸡改善一下生活。遇上特殊的日子还可以杀只公鸡改善一下生活。如果主人这样坚持下去，那么消费水平便会不断如果主人这样坚持下去，那么消费水平便会不断提高，积累也会越来越多。提高，积累也会越来越多。.8.5流水线的主要问题流水线的主要问题要使流水线