计算机组成原理 第 6 章

1）对存储器的频繁访问 ① 有哪些访问：取指令、取操作 数、存放执行结果, I/O通道访问. ② 希望存储器为多体结构，以适 应多种访问源的需要。 ③ 当存储器为单体结构时，需要 将访问源排队，先后顺序为： 取指令、取数据、I/O通道访问、存
结果
6.1 先行控制技术
• 先行控制（look-ahead）技术最早在IBM公司研制的 STRETCH机器中采用。目前，许多处理机中都已经采 用了这种技术，包括超流水处理机和超标量处理机等。
6.4 线性流水线性能分析
衡量流水线的主要指标有吞吐率，加速比和效率。
6.4.1 吞吐率TP
吞吐率（TP ── ThroughPut）指流水线在单位时间内执行的任务数， 可以用输入任务数或输出任务数表示。
TP n Tk
其中k表示流水线划分的段数。
当满足 ti 条t 件时，有 Tk (n k 1) t。
第6章 流水线原理及其 §1 重叠方式
通常提高指令执行速度的途径有如下三种： 1. 提高处理机的工作主频。 2. 采用更好的算法和设计更好的功能部件。 3. 多条指令并行执行，称为指令级并行技术。
• 可以从两个方面来开发处理机内部的并行性：
– 空间并行性：即在一个处理机内设置多个独 立的操作部件，并让这些操作部件并行工作， 这种处理机称为多操作部件处理机或超标量 处理机;
• 超长指令字技术VLIW：指让一条指令包含多个独立的操 作字段，并且分别控制多个功能部件并行工作的技术。
一．重叠解释方式
1.一条指令的几个过程段
1）取指令：根据PC（指令计数器）从M（存储器）取 出指令送到IR（指令寄存器）
2）译码分析：译出指令的操作性质，准备好所需数 据
3）执行：将准备好的数按译出性质进行处理，主要 涉及ALU（算术逻辑运算部件）

5. 中断控制 CPU 除了执行程序外,还需要具备对突发事件的处理能 力。例如,运算器出现了结果溢出、某个部件出现了异常情 况、设备需要实时的数据服务等,这就需要 CPU 中断正在处 理的程序,并对这些突发事件进行响应,以保证计算机的正常 运转,这个能力称为中断处理能力。 总体来说,一条指令的执行过程就是在控制器的控制下, 先从内存中取出指令,然后对指令进行译码,在时序发生器和 控制器的控制下,在正确的时间发出指定部件的控制信号,保 证各部件能够执行正确的动作,从而保证该指令功能的实现。
第6章中央处理器
图 6－6 指令周期与 CPU 周期的包含关系
第6章中央处理器
6. 1. 4 指令执行流程 指令的执行是从取指周期开始的。取指周期主要完成从
内存取出要执行的指令,并使指针指向下一条指令,即 PC=PC+ “ 1 ”,这里的“ 1 ”表示当前这条指令的实际字长。 取指完成后,对指令进行译码,再转入具体的指令执行过程。 指令在执行过程中如果采用间接寻址方式,还需要增加间址 周期,如图 6－5 所示。
第6章中央处理器
3. 时序控制 每一条指令在执行的过程中,必须在规定的时间给出各 部件所需操作控制的信号,才能保证指令功能的正确执行。 因此,时序控制就是定时地给出各种操作信号,使计算机系统 有条不紊地执行程序。 4. 数据加工 数据加工是指对数据进行算术运算、逻辑运算或其他处 理。
第6章中央处理器
第6章中央处理器
图 6－7 所示是一个采用总线结构将运算器、寄存器连 接起来的控制器内部数据通路。其各部件与内部总线 IBUS 和系统总线 ABUS 、 DBUS 的连接方式如图中所示,图中的 “ o ”为控制门,在相应控制信号(信号名称标在“o ”上)的控 制下打开,建立各部件之间的连接。GR 是通用寄存器组, X 和 Z 是两个暂存寄存器。

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典型的接口通常具有如下功能：
➢ 1.控制：接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关 闭设备等。
➢ 2.缓冲：接口在外围设备和计算机系统其他部件之间用作为一个缓冲 器，以补偿各种设备在速度上的差异。
➢ 3.状态：接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包 括数据“准备就绪”、“忙”、“错误”等等，供CPU询问外围设备 时进行分析之用。
➢ 6.程序中断：每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发生一个 中断请求信号到CPU。
一个适配器必有两个接口：
一是和系统总线的接口，CPU和适配器的数据交换一定的是并行方式；
二是和外设的接口，适配器和外设的数据交换可能是并行方式，也可能是串行方式。根据
外围设备供求串行数据或并行数据的方式不同，适配器分为串行数据接口和并行数据接口
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当代总线：CPU和它私有的cache一起作为一个模块与总线相连。系统 中允许有多个这样的处理器模块。而总线控制器完成几个总线请求者之 间的协调与仲裁。
数据传送总线： 由地址线、数据线、控制线组成。 仲裁总线： 包括总线请求线和总线授权线。 中断和同步总线 公用线： 包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号线等。
➢ 4.转换：接口可以完成任何要求的数据转换，例如并－－串转换或串 －－并转换，因此数据能在外围设备和CPU之间正确地进行传送。
➢ 5.整理：接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计 数器或当前内存地址寄存器。
➢ 6.程序中断：每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发生一个 中断请求信号到CPU。
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➢ 为了同步主方、从方的操作，必须制订定 时协议。
➢ 定时：事件出现在总线上的时序关系。 ➢ 定时方式：

第6章习题答案1．控制器有哪几种控制方式?各有何特点?解：控制器的控制方式可以分为3种：同步控制方式、异步控制方式和联合控方式。

同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一目的节拍电位和工作脉冲。

这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。

异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体况决定，需要多少时间，就占用多少时间。

异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高机器的效率，但是控制比较复杂。

联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。

2．什么是三级时序系统?解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。

计算机中每个指令周期划分若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工脉冲。

3．控制器有哪些基本功能?它可分为哪几类?分类的依据是什么?解：控制器的基本功能有：(1)从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。

(2)对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。

(3)指挥并控制CPU、主存和输入输出设备之间的数据流动。

控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型3类，分类的依据在于控制器的核心——微操作信号发生器(控制单元CU)的实现方法不同。

4．中央处理器有哪些功能?它由哪些基本部件所组成?解：从程序运行的角度来看，CPU的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。

对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。

中央处理器由运算器和控制器组成。

5．中央处理器中有哪几个主要寄存器?试说明它们的结构和功能。

解：CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。