计算机硬件技术基础——第七章3.ppt

第七章 控制器 7.5 硬布线控制器 硬布线控制器的基本原理是根据指令的要求、当前的时序及外部和内部的状态情况，按时间的顺序发送一系列微操作控制信号。它由复杂的组合逻辑门电路和一些触发器构成，因此又称为组合逻辑控制器，或常规逻辑控制器。 二、硬布线控制器的结构 1、指令信息Im用于指出当前是哪一条指令的指令周期。 2、机器周期信号Mn和时钟周期信号Tn指出当前处于哪一个机器周期和哪一个节拍。 3、状态信号Sx指出运算器的结果状态及机器内部的其他状态，以决定某些操作信号是否发送。 4、外部控制、状态信号Ej指出和传递CPU外部各部件的状态和控制信号。 三、硬布线控制器的设计方法 硬布线控制器的设计步骤： 1、确定指令系统，包括指令系统中每条指令的格式、功能和寻址方式。 2、围绕着指令系统的实现，确定CPU的内部结构，包括运算器的功能和组成，控制器的组成及它们的连接方式和数据通路，同时也确定时序系统的构成。 3、分析每条指令的执行过程，按机器周期顺序，写出所必需发送的微操作控制信号序列。 4、综合每个微操作控制信号的逻辑函数，化简和优化。 5、用逻辑电路实现。 四、硬布线控制器与微程序控制器的比较 区别： 微操作控制信号的产生方法不同：前者由组合逻辑电路即时产生；后者是从控存读取并送出的。 硬布线控制器的电路繁琐、不规整，不易修改和扩充；微程序控制器由于控制信号存于控存，电路相对规整，易修改和扩充； 硬布线控制器执行速度快，多应用于RISC系统。微程序控制器执行速度相对硬布线控制器慢，多应用于CISC系统。 7.6 流水线的基本原理 机器指令按串行方式执行 机器指令按并行方式执行 一、流水线工作方式的特点是： 流水线分的工序越多，可同时运行的指令就越多，单位时间内可完成的指令也就越多，速度越快。 流水线上每个阶段执行时间必须完全一致。 流水线上必须等待一段时间，才能达到最大吞吐率，这个时间等于一条指令的执行时间，称为“通过时间”。 当编译形成的程序不能发挥流水线的作用，或存储器供应不上流动所需的指令和数据，或遇到程序转移指令等情况时，会造成流水线断流，使效率下降。 二、流水线需要解决的问题： 1、访问内存的冲突 解决这个问题 1）采用双端口存储器，使取指令和取操作数可同时进行； 2）分离指令Cache和数据Cache，使取指令和取操作数可在Cache这级可以同时进行； 3）采用指令队列，预取到指令队列中，从而避免与取数据发生冲突。 2、计算地址与运算的冲突 解决的办法是增设部件 3、操作数相关问题 其解决方法是： 1）插入气泡法。该方法较简单，但降低了指令执行效率； 2）采用数据旁路技术，这种方法效率高但控制复杂。 4、转移相关问题 解决方法是： 1）加入空操作，尽量调整指令执行的先后顺序，使转移条件提前建立。前者相当于顺序操作，后者增加了控制难度。 2）采用猜测法，先选定转移分支中的一个，按此分支继续取指并处理，假如猜测是正确的，则流水线可以继续进行；假如猜测错了，则要返回分支点，并要保证分支点后已进行个处理不破坏原有现场。 5、中断发生时转中断处理 解决方法是： 1）不精确断点法：当中断发生时，不允许后续指令进入流水线，但已进入指令流水线的指令继续执行直到完毕，然后将中断处理程序的指令送入指令流水线。 2）精确断点法：当中断发生时，指令流水线中的指令立即停止执行，将中断处理程序指令送入指令流水线，尽快转入中断处理。被目前大多数流水线计算机后者。 7.6 Pentium Ⅱ CPU 一、Pentium Ⅱ CPU的技术性能 PentiumⅡCPU——32位微处理器，超标量体系结构，MMX技术 MMX技术的基础是SIMD，可以并行处理8个8位数据或4个16位数据或2个32位数据。MMX技术新增加了4种数据类型：紧缩字节类型──8个字节打包成一个64位长的数据、紧缩字类型、紧缩双字类型和四字类型，还增加了57条新指令，另外拥有8个64位的MMX寄存器。 PentiumⅡCPU用动态执行技术和寄存器重命名等RISC类处理器所采用的技术，对每一条x86操作转换成的简单的微操作进行处理。 PentiumⅡCPU采用了动态执行技术，通过预测指令流来调整指令的执行，并且分析程序的数据流来选择指令执行的最佳顺序。 PentiumⅡCPU也使用IA（Intel架构）指令和寄存器。但配备了40个内部寄存器。采用寄存器重命名技术，将IA指令使用的IA寄存器映射成微操作使用的PentiumⅡ内部寄存器，这样可极大地消除指令的数据相关性。 PentiumⅡCPU采用了双独立总线结构，其中前端总线FBS主要负责与主存储器的信息传送操作，后端总线连接到L2 Cache上