计算机原理精品教学（华南理工大学）6-4-1 中央处理器.pptVIP

复习思考题17 取指周期的操作与指令的操作码无关。（ 对 ） 在微程序控制的计算机中，控制存储器CM是用来存放微程序的。 假设某计算机共有100个微命令，若用 直接控制法，微指令的操作控制字段要有100位； 最短编码法，则操作控制字段需要7位； 字段直接编码法，若3位为一段，则操作控制字段为45位。 采用微程序控制器是为了提高速度。（ 错） 重叠控制可以提高系统的吞吐率，但在控制过程中要解决访存冲突、遇到条件转移指令和数相关问题。 第六章 中央处理器 6.1 中央处理器的功能和组成 6.2 控制器的组成和实现方法 6.3 时序系统与控制方式 6.4 微程序控制原理 6.6 流水线技术 6.7 精简指令系统计算机 6.8 微处理器中的新技术 一条指令的解释过程分解为“分析”、“执行”两个子过 6.6.3 流水工作原理 流水的概念 分析K+1 执行K+1 分析K 执行K t K： K+1： 一条指令的解释过程分解为“分析”、“执行”两个子过程 若将这两个子过程分别用独立部件实现，实现每个子过程都需要△t1时间 则就一条指令来看，需要T=2△t1 但从机器输出来看，每隔△t1完成一指令的解释。 可并行执行 一条指令的解释过程分解为“分析”、“执行”两个子过程 流水控制方式 流水的概念 分析K+1 执行K+1 分析K 执行K t K： K+1： 一条指令的解释过程分解为“分析”、“执行”两个子过程 机器吞吐率TP 单位时间内机器所能处理的指令数或是机器能输出的结果数量 串行执行时，TP1=1/(2△t1) 重叠执行时，TP2=1/△t1 TP2=2TP1 ，吞吐率为原来的两倍 可并行执行 流水控制方式 若将“分析”子过程再分解成“取指令”、“指令译码”和“取操作数”子过程，并改进运算器的结构以加快其“执行”子过程，则可构成下面的解释过程： 若这四个子过程分别用独立部件实现，并且每个子过程都需要△t2 则就一条指令来看，需要T=4△t2 但从机器输出来看，每隔△t2完成一指令的解释。 TP2=1/△t2 流水控制方式 流水控制—— 将指令的执行过程分为时间大致相同的多个功能段，每段完成一个具体功能，并产生中间结果，各个功能段占用专用设备； 而各功能段间顺序执行，但对多条指令而言，各功能段间重叠执行； 当处理多个指令或数据时，就形成了流水处理 T=4△t2 流水线的分类——按处理级别分 操作部件级 将复杂的算逻运算组成流水线工作方式 指令级 将指令执行过程分成多个子过程 处理机级 由≥2个处理机通过存储器串行连接起来，每个处理机对同一数据流的不同部分分别进行处理。 处理机1 处理机2 处理机n 1 存储器 2 存储器 n 存储器 输入 输出 … 处理机级流水线（宏流水线） 流水线的分类——按功能分 单功能流水结构 只能完成一种功能的流水处理 多功能流水结构 同一流水结构可完成多种功能的流水处理 流水线的分类——按工作方式分 静态流水结构 同一时间只能完成一种运算 动态流水结构 同一时间可完成不同种运算 6.7 CISC和RISC的比较 设一个程序的总执行时间P P=N×C×S N——程序中的指令总数 C——平均指令执行所需的时钟周期数 S——每个时钟周期的时间 不同种类机器减少P的措施 CISC——N↘，C↗ RISC——C↘，N↗ RISC不仅是要简化指令系统，而且要通过简化指令系统而使计算机的硬件结构变得简单合理，以提高运算速度，最有效的办法是减少指令的执行周期数。 N C S RISC 1.2~1.4 1.3~1.7 1 CISC 1 4 ~ 10 1 RISC与CISC的主要特征对比 比较内容 CISC RISC 指令系统 复杂、庞大 简单、精简 指令数目 一般大于200 一般小于100 指令格式 一般大于4种 一般小于4种 寻址方式 一般大于4种 一般小于4种 各种指令执行时间 相差很大 绝大多数在一个周期内完成 控制器实现方式 绝大多数为微程序控制 绝大多数为硬连线控制 指令字长 不固定 等长 可访存指令 不加限制 只有取数、存数指令 各种指令使用频率 相差很大 相差不大 优化编译实现 很难 较容易 程序源代码长度 较短 较长 软件系统开发时间 较短 较长 6.8 微处理器中的新技术 超标量流水线 超流水线 基本流水线 6.8.1 超标量和超流水线技术 改善指令流水线的途径 依赖空间并行度，要求芯片为有更高集成度的半导体材料 超标量流水线 超流水线 依赖于时间并行度，要求更快的半导体材料 目前提高速度比提高集成度更难，使超标量流水线结构发展迅速。 超标量实际上是并行处理思想在微处理器设计中的应用。 Pentium 超标量流水线 预取(PF) ——指令缓存取一指令，存入预取缓冲区 译码1(D