微机系统组成3-1

流水CPU中一个指令周期的任务分解
其中：取指令（IF）、译码（ID）、 执行（EX）、写回（WB）
表示流水计算机的时空图
表示超标量流水计算机的时空图
2）超标量结构

Pentuim CPU
超标量流水：指具有两条以上的指令流水线； 在一个时钟周期内可以执行两条或两条以 上指令。

时间并行技术和空间并行技术的综合应用。 486 CPU
3.1
CPU的功能和组成
1. CPU的功能

指令控制（程序的顺序控制） 操作控制（一条指令有若干操作信号实现） 时间控制（指令各个操作实施时间的定时） 数据加工（算术运算和逻辑运算）
3.1
CPU的功能和组成
2. CPU的基本组成

CPU的基本组成一 （1）运算器 （2）控制器

CPU的基本组成二 （1）运算器 （2）控制器 （3）Cache
执行
存结果
取指令
取操作数
执行
存结果
指令i的指令周期
指令i＋1的指令周期
指令串行执行的特点： （1）控制简单 （2）速度慢（每一时刻只有一条指令在CPU 中执行）

CPU执行指令的过程
I、 指令执行的基本方式
II、 流水线与超标量结构
设 ①指令的执行过程分为四步：取指、取数、执行、回写。 ②每一步分别在部件1、部件2、部件3、部件4中完成。 ③每步的完成时间均为Ti。
算术运算（加、减、 乘、除）和逻辑运算 （与、或、非）。也 称为执行单元。
3.1
CPU的功能和组成
一组寄存器，CPU内
2. CPU的基本组成
部临时存放各种信息 的器件，它们可以直 接参与运算并保存运 算的各种结果。
指令
内 存 储 器
控制器
数据 运算结果 操作命令
寄 存 器
运 算 器
中 央 处 理 器

流水线的实现 子任务的划分---决定流水线性能的关键因素 方法：将T任务划分为k个子任务 T = ﹛T1，T2，…Tk﹜ K级流水线
要求：各子任务处理时间尽量相同，避免空转 效率：子任务并行工作。实际上每一个子任务 的总运算时间并没有缩短，而是系统的整体运算时间 缩短了。因此子任务划分越细，流水线效率越高，但 硬件代价也越高。
取指 部件1 取数 部件2 执行 部件3 回写 部件4
取指
部件1
取数
部件2
执行
部件3
回写
部件4
T1
部件1 部件2 部件3 部件4
取指A
T2
取指B
T3
取指C 取数B 执行A
T4
取指D
T5
取数D
执行C 回写B
T6
T7
取数A
取数C
执行B 回写A
T
执行D
回写C
回写D
指令流水时空图
1）流水工作方式： 将一个计算任务细分成若干个子任务，每个子 任务由专门的部件处理，多个计算任务依次进行并 行处理。

总线
总线是一种公用导线，是计算机中各组成部件之间 相互传递信息的“公路”。
总线分类

根据总线宽度（数据位数）不同，可分为：
CPU内部总线（决定数据处理能力）和CPU外 部总线（决定数据传输能力）。

根据传送内容不同，可分为：
数据总线DB（有位数，双向）、地址总线AB （有位数，单向）和控制总线CB（无位数，某一时刻 单向、整体双向）。
暂时存放ALU运 算的结果信息
保存当前正在执行 的一条指令
保存由算术指令和逻辑指令运行或测试 的结果建立的各种条件码内容。 如：进位C，溢出V，结果为零Z等
保存当前CPU所访问的 内存单元的地址。
暂时存放由内存读出的一条指 令或一个数据字；反之，CPU 向内存写入数据字也放在其中 暂存
读数据： 写数据： 读指令：

wk.baidu.com
处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。

不同档次的微机，取决于微处理器的不同型号。
3.1
CPU的功能和组成
1. CPU的功能 2. CPU的基本组成
3. CPU中主要的寄存器
3.1
CPU的功能和组成
存储程序
1. CPU的功能
计算机求解问题是通过执行程序来实现的。
程序是由指令构成的序列，执行程序就是按指令序列逐条 执行指令。 一旦把程序装入主存储器中，就可以由CPU自动地完成从 主存取指令和执行指令的任务。
运算器 输入
存储器
输出 控制器
主机
中央处理器 CPU
第3章 微处理器
3.1 3.2 3.3 3.4
CPU功能和组成 CPU工作过程 CPU主要性能指标 微处理器的发展

CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是计算机的
核心部件，是整个计算机系统的运算、控制和指挥中心。 微处理器是用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央
数据相关
在一个程序中，如果必须等前一条指令 执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两 条指令就是数据相关的。
解决数据相关冲突的办法：
在流水CPU的运算器中设置若干运算结果缓冲寄存器， 暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为 “向前”或定向传送技术。

控制相关
控制相关冲突是由转移指令引起的。
3.1
CPU的功能和组成
2. CPU的基本组成

控制器（控制单元）

运算器
(算术/逻辑运算单元（ALU）)

寄存器组
总线
3.1
CPU的功能和组成
控制器是CPU的指挥中 心，它能解释指令的含义， 控制运算器的操作，记录 内部状态。

2. CPU的基本组成
指令
内 存 储 器
控制器
数据 运算结果 操作命令
3.2

CPU工作过程
I、 指令执行的基本方式 CPU是控制并执行指令的部件。
CPU执行指令的过程

指令周期是指取出并执行一条指令的时间。 计算机运行程序 重复指令周期 执行指令序列
设一条指令的执行过程可以被分为若干步： 取指令

取操作数
执行
存结果
指令的基本执行方式→串行执行（顺序执行）
取指令
取操作数
标量结构：在一个时钟周期内，能够执行一条指令。

流水线中的主要问题
资源相关 多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期 内争用同一个功能部件所发生的冲突。

假定指令流水线由五段组成
解决资源相关冲突的办法：
一是第I4条指令停顿一拍后再启动； 二是增设一个存储器，将指令和数据分别放在两个 存储器中。

寄 存 器
运 算 器
中 央 处 理 器
主要用来读取、分析和执
行指令，是产生各种控制 命令的全机指挥中心，能 通过时序控制自动协调微 机各部件之间同步工作。
3.1
CPU的功能和组成
2. CPU的基本组成
运算器主要负责完成
指令
内 存 储 器
控制器
数据 运算结果 操作命令
寄 存 器
运 算 器
中 央 处 理 器
3.1
CPU的功能和组成
2. CPU的基本组成

CPU中的主要寄存器
各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但是在 CPU中至少要有6类寄存器：
①指令寄存器（IR） ②程序计数器（PC） ③地址寄存器（AR） ④数据冲寄存器（DR） ⑤通用寄存器（R0～R3） ⑥状态字寄存器（PSW）
保存下一条要执 行的指令地址
当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果， 可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址 取指令，从而使流水线 发生断流。
为了减小转移指令对流水线性能的影响，常用以 下两种转移处理技术：
延迟转移法
由编译程序重排指令序列来实现。 基本思想:先执行再转移
转移预测法 用硬件方法来实现，依据指令过去的行 为来预测将来的行为。