考綱內(nèi)容

• CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)
• 指令執(zhí)行過程
• 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)
• 控制器的功能和工作原理
  • 硬布線控制器
  • 微程序控制器
    • 微程序、微指令和微命令、微指令格式
    • 微命令的編碼方式
    • 微地址的形成方式
• 指令流水線
  • 指令流水線的概念
  • 指令流水線的基本實(shí)現(xiàn)
  • 超標(biāo)量和動(dòng)態(tài)流水線的基本概念

1. CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)

1. CPU的功能

• CPU由運(yùn)算器和控制器組成
  • 控制器：負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)并控制計(jì)算機(jī)各部件執(zhí)行程序的指令序列，包括取指令、分析指令和執(zhí)行指令
  • 運(yùn)算器：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工
• CPU具體功能
  • 指令控制：完成取指令、分析指令和執(zhí)行指令的操作，即程序的順序控制
  • 操作控制：CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號(hào)，把各種操作信號(hào)送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作
  • 時(shí)間控制：為每條指令按時(shí)間順序提供應(yīng)有的控制信號(hào)
  • 數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算
  • 中斷處理：對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常情況和特殊請(qǐng)求進(jìn)行處理

2. CPU的基本結(jié)構(gòu)

1. 運(yùn)算器

• 任務(wù)：接收從控制器送來的命令并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理
• 組成
  
  • 算術(shù)邏輯單元（ALU）：進(jìn)行算術(shù)/邏輯運(yùn)算
  • 暫存寄存器：暫存從主存讀來的數(shù)據(jù)（不能放在通用寄存器中，否則會(huì)破壞其原有內(nèi)容），對(duì)應(yīng)用程序員透明
  • 累加寄存器（ACC）：暫存ALU運(yùn)算的結(jié)果信息，可以作為加法運(yùn)算的 一個(gè)輸入端
  • 通用寄存器組：存放操作數(shù)（源操作數(shù)、目的操作數(shù)及中間結(jié)果）和各種地址信息等。如AX、BX、SP（堆棧指針，指示棧頂?shù)牡刂?#xff09;等，其位數(shù)等于機(jī)器字長(zhǎng)
  • 程序狀態(tài)字寄存器（PSW）：保留由算術(shù)邏輯運(yùn)算指令或測(cè)試指令的結(jié)果而建立的各種狀態(tài)信息。如溢出標(biāo)志（CF）、符號(hào)標(biāo)志（SF）、零標(biāo)志（ZF）、進(jìn)位標(biāo)志（CF）等
  • 移位器：對(duì)操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行移位運(yùn)算
  • 計(jì)數(shù)器：控制乘除運(yùn)算的操作步數(shù)

2. 控制器

• 任務(wù)：執(zhí)行指令，每條指令的執(zhí)行是由控制器發(fā)出的一組微操作實(shí)現(xiàn)的
• 組成
  
  • 程序計(jì)數(shù)器（PC）：指出下一條指令在主存中的存放地址，有自增功能，其位數(shù)取決于存儲(chǔ)器的容量（指令條數(shù)）
  • 指令寄存器（IR）：保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，其位數(shù)等于指令字長(zhǎng)
  • 指令譯碼器（ID）：對(duì)操作碼字段進(jìn)行譯碼，向控制器提供特定的操作信號(hào)
  • 存儲(chǔ)器地址寄存器（MAR）：存放要訪問的主存單元的地址，其位數(shù)取決于存儲(chǔ)器容量
  • 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）：存放向主存寫入的信息或從主存讀出的信息，其位數(shù)等于存儲(chǔ)字長(zhǎng)
  • 時(shí)序系統(tǒng)：產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)，由統(tǒng)一時(shí)鐘（CLOCK）分頻得到
  • 微操作信號(hào)發(fā)生器：根據(jù)IR的內(nèi)容（指令）、PSW的內(nèi)容（狀態(tài)信息）及時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生當(dāng)前計(jì)算機(jī)各部件要用到的控制信號(hào)。分為組合邏輯型和存儲(chǔ)邏輯型兩種

3. 寄存器的透明度

• 用戶可見
  • 移位器
  • 通用寄存器組
  • 程序狀態(tài)字寄存器（PSW）
  • 程序計(jì)數(shù)器（PC）
• 用戶不可見
  • 存儲(chǔ)器地址寄存器（MAR）
  • 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）
  • 指令寄存器（IR）
  • 暫存寄存器

2. 指令執(zhí)行過程

1. 指令周期

• 定義：CPU從主存中取出并執(zhí)行一條指令的時(shí)間
• 組成
  • 取指周期：取指令，一次訪存
    • 取出的是指令，以此區(qū)分指令和數(shù)據(jù)
  • 間址周期：取有效地址，一次訪存
  • 執(zhí)行周期：取操作數(shù)，一次訪存
    • 取出的是操作數(shù)，以此區(qū)分指令和數(shù)據(jù)
  • 中斷周期：保存程序斷點(diǎn)，一次訪存
    • 進(jìn)棧操作是將SP-1（計(jì)算機(jī)的堆棧中向低地址增加）
    • 有中斷請(qǐng)求，才會(huì)進(jìn)入中斷周期
      
      
• 實(shí)現(xiàn)
  • 在CPU內(nèi)設(shè)置4個(gè)標(biāo)志觸發(fā)器，“1”表示有效
  • FE——取指周期
  • IND——間址周期
  • EX——執(zhí)行周期
  • INT——中斷周期
    
• 特點(diǎn)
  • 機(jī)器周期：完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間
  • 時(shí)鐘周期（節(jié)拍脈沖、T周期）：完成一個(gè)最基本的動(dòng)作所需的時(shí)間
  • 1個(gè)指令周期 = n個(gè)機(jī)器周期，1個(gè)機(jī)器周期 = n個(gè)時(shí)鐘周期
  • 每個(gè)指令周期內(nèi)的機(jī)器周期數(shù)可以不等，每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)的節(jié)拍數(shù)也可以不等

2. 指令周期的數(shù)據(jù)流

• 數(shù)據(jù)流：根據(jù)指令要求依次訪問的數(shù)據(jù)序列

1. 取指周期

• 任務(wù)：根據(jù)PC中的內(nèi)容從主存中取出指令代碼（控制器自動(dòng)進(jìn)行）并存放在IR中
• 數(shù)據(jù)流向
  

2. 間址周期

• 任務(wù)：取操作數(shù)有效地址。以一次間址為例，將指令中的地址碼送到MAR并送至地址總線，此后CU向存儲(chǔ)器發(fā)讀命令，以獲取有效地址并存至MDR
• 數(shù)據(jù)流向
  

3. 執(zhí)行周期

• 任務(wù)：根據(jù)IR中的指令字的操作碼和操作數(shù)通過ALU操作產(chǎn)生執(zhí)行結(jié)果
• 數(shù)據(jù)流向：不同指令的執(zhí)行周期操作不同，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)流向

4. 中斷周期

• 任務(wù)：處理中斷請(qǐng)求
• 數(shù)據(jù)流向
  
• 進(jìn)棧操作：先修改棧頂指針，后存入數(shù)據(jù)

3. 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)

1. 數(shù)據(jù)通路的功能

• 數(shù)據(jù)通路：數(shù)據(jù)在功能部件之間傳送的路徑
• 數(shù)據(jù)通路部件：路徑上的部件
• 功能（執(zhí)行）部件：數(shù)據(jù)通路中專門進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的部件
• 功能：實(shí)現(xiàn)CPU內(nèi)部的運(yùn)算器與寄存器之間的數(shù)據(jù)交換

2. 基本結(jié)構(gòu)

1. 三種類型

• CPU內(nèi)部單總線方式：將所有寄存器的輸入端和輸出端都連接到一條公共通路上
  • 特點(diǎn)
    • 簡(jiǎn)單，但存在較多的沖突現(xiàn)象，性能較低（一個(gè)時(shí)鐘周期只能傳送一個(gè)數(shù)據(jù)）
    • ALU要配合暫存寄存器使用
      
• CPU內(nèi)部三總線方式：將所有寄存器的輸入端都連接到多條公共通路上
  • 特點(diǎn)：多個(gè)總線上傳送不同的數(shù)據(jù)，提高效率
• 專用數(shù)據(jù)通路方式：根據(jù)指令執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)和地址的流動(dòng)方向安排連接線路，避免使用共享總線
  • 特點(diǎn)：性能較高，但硬件量大（多路選擇與三態(tài)門實(shí)現(xiàn)）
    

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• 注意
  • 內(nèi)部總線：同一部件內(nèi)的總線
  • 系統(tǒng)總線：同一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各部件間的總線

4. 控制器的功能和工作原理

1. 控制器的結(jié)構(gòu)和功能

• 連接關(guān)系
  • 運(yùn)算器部件通過數(shù)據(jù)總線與內(nèi)存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備傳送數(shù)據(jù)
  • 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備通過接口電路與總線相連接
  • 內(nèi)存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備從地址總線接收地址信息，從控制總線得到控制信號(hào)，通過數(shù)據(jù)總線與其他部件傳送數(shù)據(jù)
  • 控制器部件從數(shù)據(jù)總線接收指令信息，從運(yùn)算器部件接收指令轉(zhuǎn)移地址，送出指令地址到地址總線，還要向系統(tǒng)中的部件提供它們運(yùn)行所需要的控制信號(hào)
• 控制器的主要功能
  • 從主存中取出一條指令，并指出下一條指令在主存中的位置
  • 對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試，產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便啟動(dòng)規(guī)定的動(dòng)作
  • 指揮并控制CPU、主存、輸入和輸出設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向

2. 硬布線控制器

• 基本原理：根據(jù)指令的要求、當(dāng)前的時(shí)序及外部和內(nèi)部的狀態(tài)，按時(shí)間的順序發(fā)送一系列微操作控制信號(hào)
• 實(shí)現(xiàn)：由復(fù)雜的組合邏輯門電路和一些觸發(fā)器構(gòu)成
• 特點(diǎn)
  • 指令越多，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)就越復(fù)雜，一般用于RISC
  • 擴(kuò)充一條新的指令，控制器的設(shè)計(jì)就要大改，擴(kuò)充指令困難
  • 執(zhí)行速度很快，微操作信號(hào)由組合邏輯電路即時(shí)產(chǎn)生

1. 硬布線控制單元圖

• 指令的操作碼是決定控制單元發(fā)出不同操作命令（控制信號(hào)）的關(guān)鍵
• CU輸入：操作碼譯碼電路ID、節(jié)拍發(fā)生器、狀態(tài)標(biāo)志、系統(tǒng)（控制）總線
• CU輸出：CPU內(nèi)部或外部控制總線
  

2. 時(shí)序系統(tǒng)及微操作

• 取指周期
  (PC)$\to$ MAR
  1$\to$R
  M(MAR)$\to$MDR
  MDR$\to$IR
  OP(IR)$\to$ID
  (PC)+1$\to$PC
• 間址周期
  Ad(IR)$\to$MAR
  1$\to$R
  M(MAR)$\to$MDR
• 執(zhí)行周期
  • CLA——清ACC
    0$\to$ACC
  • COM——取反
    $\overline{ACC}\to ACC$
  • LDA X——取數(shù)指令
    Ad(IR)$\to$MAR
    1$\to$R
    M(MAR)$\to$MDR
    MDR$\to$ACC
  • JMP X——無條件轉(zhuǎn)移
    Ad(IR)$\to$PC
  • BAN X——條件轉(zhuǎn)移，ACC為負(fù)時(shí)轉(zhuǎn)移
    $A_0?Ad(IR)+\overline{A_0}?(PC)\to PC$

3. 硬布線控制單元設(shè)計(jì)步驟

• 設(shè)計(jì)原則
  • 微操作的先后順序不得隨意更改
  • 被控對(duì)象不同的微操作，盡量安排在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成
  • 占用時(shí)間較短的微操作，盡量安排在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成，并允許有先后順序

1. 分析每個(gè)階段的微操作序列（取指、間址、執(zhí)行、中斷四個(gè)階段）

2. 選擇CPU的控制方式

• 控制單元控制一條指令執(zhí)行的過程，實(shí)質(zhì)上是依次執(zhí)行一個(gè)確定的微操作序列的過程
• 每條指令和每個(gè)微操作所需的執(zhí)行時(shí)間不同
• 分類
  • 同步控制方式：采取完全統(tǒng)一的、具有相同時(shí)間間隔和相同數(shù)目的節(jié)拍作為機(jī)器周期來運(yùn)行不同的指令
  • 異步控制方式：各部件按自身固有的速度工作，通過應(yīng)答方式進(jìn)行聯(lián)絡(luò)
  • 聯(lián)合控制方式：大部分采用同步控制，小部分采用異步控制

3. 安排微操作時(shí)序

• 取指周期
  
• 間址周期
  
• 執(zhí)行周期
  
• 中斷周期
  

4. 電路設(shè)計(jì)

列出操作時(shí)間表

寫出微操作命令的最簡(jiǎn)表達(dá)式

畫出邏輯圖

3. 微程序控制器

• 實(shí)現(xiàn)：采用存儲(chǔ)邏輯實(shí)現(xiàn)，把微操作信號(hào)代碼化，使每條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化為一段微程序并存入一個(gè)專門的存儲(chǔ)器（控制存儲(chǔ)器）中，微操作控制信號(hào)由微指令產(chǎn)生
  

1. 微程序控制的基本概念

• 設(shè)計(jì)思想：將每條機(jī)器指令編寫成一個(gè)微程序，每個(gè)微程序包含若干微指令，每條微指令對(duì)應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)微操作命令
• 微操作：計(jì)算機(jī)中最基本的、不可再分解的操作
• 微命令：微程序控制的計(jì)算機(jī)中，控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令（構(gòu)成控制序列的最小單位）
• 相容性微命令：可以同時(shí)產(chǎn)生、共同完成某一些微操作的微命令
• 互斥性微命令：在機(jī)器中不允許同時(shí)出現(xiàn)的微命令
• 微指令：若干微命令的集合
  • 操作控制字段（微操作碼字段）：產(chǎn)生某一步操作所需的各種操作控制信號(hào)
  • 順序控制字段（微地址碼字段）：控制產(chǎn)生下一條要執(zhí)行的微指令地址
• 微周期：從控制存儲(chǔ)器中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的微操作所需的時(shí)間
• 控制存儲(chǔ)器（CM）：用于存放微程序，在CPU內(nèi)部，用ROM實(shí)現(xiàn)
• 主存儲(chǔ)器：存放程序和數(shù)據(jù)，在CPU外部，用RAM實(shí)現(xiàn)
• 微程序：微指令的有序集合，一條指令的功能由一段微程序?qū)崿F(xiàn)（1條指令 = 多個(gè)微程序）
• 程序：指令的有序集合，用于完成特定的功能
• 特點(diǎn)
  • 微命令和微操作一一對(duì)應(yīng)
  • 微命令是微操作的控制信號(hào)，微操作是微命令的執(zhí)行過程
• 注意
  • 地址寄存器（MAR）：存放主存的讀/寫地址
  • 微地址寄存器（CMAR或$\mu$PC）：存放控制存儲(chǔ)器的讀/寫微指令的地址

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  • 指令寄存器（IR）：存放從主存中讀出的指令
  • 微指令寄存器（CMDR或$\mu$IR）：存放從控制存儲(chǔ)器中讀出的微指令

2. 微程序控制器的組成和工作過程

1. 基本組成

• 控制存儲(chǔ)器（CM）：核心部件，存放各指令對(duì)應(yīng)的微程序
• 微指令寄存器（CMDR）：存放從CM中取出的微指令，位數(shù) = 微指令字長(zhǎng)
• 微地址形成部件：產(chǎn)生初始微地址和后繼微地址，保證微指令的連續(xù)執(zhí)行
• 微地址寄存器（CMAR）：接收微地址形成部件送來的微地址
  

2. 工作過程

• 執(zhí)行取微指令公共操作
  • 機(jī)器開始運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)將取指微程序的入口地址送入CMAR，并從CM中讀出相應(yīng)的微指令送入CMDR
  • 取指微程序的入口地址一般為CM的0號(hào)單元，當(dāng)取指微程序執(zhí)行完后，從主存中取出的機(jī)器指令就已存入指令寄存器中
• 由機(jī)器指令的操作碼字段通過微地址形成部件產(chǎn)生該機(jī)器指令所對(duì)應(yīng)的微程序的入口地址，并送入CMAR
• 從CM中逐條取出對(duì)應(yīng)的微指令并執(zhí)行
• 執(zhí)行完對(duì)應(yīng)于一條機(jī)器指令的一個(gè)微程序后，又回到取指微程序的入口地址，再完成取下一條機(jī)器指令的公共操作

3. 微程序和機(jī)器指令

• 一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序
• 任何一條機(jī)器指令的取指令操作都是相同的
• 控制存儲(chǔ)器中的微程序個(gè)數(shù)應(yīng)為機(jī)器指令數(shù)再加上對(duì)應(yīng)取指、間址和中斷周期等公用的微程序數(shù)
  • 若指令系統(tǒng)中具有n種機(jī)器指令，則控制存儲(chǔ)器中的微程序數(shù)至少是n+1（1為公共的取指微程序）
  • 可以不提供間址周期和中斷周期

3. 微指令的編碼方式

• 編碼目標(biāo)：保證速度的情況下，盡量縮短微指令字長(zhǎng)
• 直接編碼（直接控制）方式
  • 定義：操作控制字段中，每一位代表一個(gè)微操作命令（“1”表示控制信號(hào)有效）
    
  • 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀，執(zhí)行速度快，操作并行性好
  • 缺點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)過長(zhǎng)，n個(gè)微命令要求微指令的操作字段有n位，造成空存容量極大
• 字段直接編碼方式
  • 定義：將微指令的控制字段分為若干段，每段經(jīng)譯碼后發(fā)出控制信號(hào)
    
    
  • 優(yōu)點(diǎn)：可以縮短微指令字長(zhǎng)
  • 缺點(diǎn)：要通過譯碼電路后再發(fā)出微命令，速度較慢
  • 微命令字段分段原則
    • 互斥性微命令分在同一段內(nèi)，相容性微命令分在不同段內(nèi)
    • 每個(gè)小段中包含的信息位不能太多，否則將增加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼時(shí)間
    • 一般每個(gè)小段還要留出一個(gè)狀態(tài)，表示本字段不發(fā)出任何微命令，通常全0表示不操作
• 字段間接編碼方式
  • 定義：一個(gè)字段的某些微命令需由另一個(gè)字段中的某些微命令來解釋
    
  • 優(yōu)點(diǎn)：可進(jìn)一步縮短微指令字長(zhǎng)
  • 缺點(diǎn)：削弱了微指令的并行控制能力，故通常作為字段直接編碼方式的一種輔助手段

4. 微指令的地址形成方式

• 直接由微指令的下地址字段指出（斷定方式）：設(shè)置一個(gè)下地址字段，由微指令的下地址字段直接指出后繼微指令的地址
• 根據(jù)機(jī)器指令的操作碼形成：微指令的地址由操作碼經(jīng)微地址形成部件形成
• 增量計(jì)數(shù)法：(CMAR) + 1 $\to$ CMAR（適用于后繼微指令地址連續(xù)的情況）
• 通過測(cè)試網(wǎng)絡(luò)形成
  
• 分支轉(zhuǎn)移
  • 轉(zhuǎn)移方式：指明判別條件
  • 轉(zhuǎn)移地址：指明轉(zhuǎn)移成功后的去向
    
• 由硬件直接產(chǎn)生微程序入口地址：第一條微指令地址由專門硬件產(chǎn)生（由專門的硬件記錄取指周期微程序的首地址）；中斷周期由硬件產(chǎn)生中斷周期微程序首地址（用專門的硬件記錄）

5. 微指令的格式

1. 水平型微指令（短、肥）

• 定義：指令字中的一位對(duì)應(yīng)一個(gè)控制信號(hào)，有輸出時(shí)為1，否則為0（一條指令定義并執(zhí)行幾種并行的基本操作）
  
• 優(yōu)點(diǎn)：微程序短，執(zhí)行速度快
• 缺點(diǎn)：微指令長(zhǎng)，編寫微程序較麻煩

2. 垂直型微指令（長(zhǎng)、瘦）

• 定義：在微指令中設(shè)置微操作碼字段，采用微操作碼編譯法，由微操作碼規(guī)定微指令的功能（一條指令只能定義并執(zhí)行一種基本操作）
  
• 優(yōu)點(diǎn)：微指令短，簡(jiǎn)單，規(guī)整，便于編寫微程序
• 缺點(diǎn)：微程序長(zhǎng)，執(zhí)行速度慢，工作效率低
  

3. 混合型微指令

• 定義：在垂直型的基礎(chǔ)上增加一些不太復(fù)雜的并行操作
• 優(yōu)點(diǎn)：微指令較短，便于編寫；微程序不長(zhǎng)，執(zhí)行速度加快

6. 微程序控制單元的設(shè)計(jì)步驟

• 寫出對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的微操作命令及節(jié)拍安排
  
• 確定微指令格式
  • 根據(jù)微操作個(gè)數(shù)決定采用何種編碼方式，以確定微指令的操作控制字段的位數(shù)
  • 根據(jù)CM中存儲(chǔ)的微指令總數(shù)，確定微指令的順序控制字段的位數(shù)
  • 最后按操作控制字段位數(shù)和順序控制字段位數(shù)就可確定微指令字長(zhǎng)
• 編寫微指令碼點(diǎn)
  • 根據(jù)操作控制字段每一位代表的微操作命令，編寫每一條微指令的碼點(diǎn)

7. 動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)和毫微程序設(shè)計(jì)

• 動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)：能根據(jù)用戶的要求改變微程序，采用可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM）實(shí)現(xiàn)
• 毫微程序設(shè)計(jì)：硬件不由微程序直接控制，而是通過存放在第二級(jí)控制存儲(chǔ)器（毫微存儲(chǔ)器）中的毫微程序來解釋的
  

5. 指令流水線

1. 指令流水線的基本概念

1. 定義

• 一條指令的執(zhí)行過程可以分為多個(gè)階段（不同階段用到的硬件不同）
  
  • 取指：根據(jù)PC內(nèi)容訪問主存儲(chǔ)器，取出一條指令送到IR中
  • 分析：對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼，按照給定的尋址方式和地址字段中的內(nèi)容形成操作數(shù)的有效地址EA，并從EA中取出操作數(shù)
  • 執(zhí)行：根據(jù)操作碼字段，完成指令規(guī)定的功能，即把運(yùn)算結(jié)果寫到通用寄存器或主存中
• 三種執(zhí)行方式
  • 順序執(zhí)行方式：指令按順序執(zhí)行，前一條指令執(zhí)行完后，才啟動(dòng)下一條指令（傳統(tǒng)馮·諾依曼采用此方式）
    
    • 執(zhí)行n條指令所用時(shí)間：T = 3nt（取指、分析、執(zhí)行三個(gè)階段的時(shí)間都為t）
    • 優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單，硬件代價(jià)小
    • 缺點(diǎn)：執(zhí)行指令的速度較慢，各功能部件的利用率很低
  • 一次重疊執(zhí)行方式：同時(shí)進(jìn)行第k條指令的執(zhí)行階段和第k+1條指令的取指階段
    
    • 執(zhí)行n條指令的時(shí)間：T = (1 + 2n)·t
    • 優(yōu)點(diǎn)：程序的執(zhí)行時(shí)間縮短了1/3，功能部件利用率提高
    • 缺點(diǎn)：硬件開銷較大，控制過程更復(fù)雜
  • 二次重疊執(zhí)行方式：同時(shí)進(jìn)行取第k+1條指令和分析第k條指令，同時(shí)進(jìn)行分析第k+1條指令和執(zhí)行第k條指令
    
    • 執(zhí)行n條指令的時(shí)間：T = (2 + n)·t
    • 優(yōu)點(diǎn)：程序的執(zhí)行時(shí)間縮短了2/3 （正常情況下，處理機(jī)同時(shí)有3條指令在執(zhí)行
    • 若沒條指令需要通過4個(gè)或5個(gè)執(zhí)行步驟完成，則可以采取3次或4次重疊執(zhí)行方式

2. 表示方法——時(shí)空?qǐng)D

• 時(shí)空?qǐng)D：主要用于分析流水線的性能
  • 橫坐標(biāo)：時(shí)間（輸入流水線中的各個(gè)任務(wù)在流水線中所經(jīng)過的時(shí)間）
  • 縱坐標(biāo)：空間（流水線的每個(gè)流水段（對(duì)應(yīng)各個(gè)執(zhí)行部件））

3. 特點(diǎn)

• 把一個(gè)任務(wù)分解為幾個(gè)有聯(lián)系的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)由一個(gè)專門的功能部件來執(zhí)行
• 每個(gè)功能段后都要有一個(gè)緩沖寄存器（保存本流水段的執(zhí)行結(jié)果，供給下一流水段使用）
• 各功能段的時(shí)間應(yīng)盡量相等
• 只有連續(xù)不斷地提供同一種任務(wù)時(shí)才能發(fā)揮流水線的效率
• 流水線需要裝入時(shí)間和排空時(shí)間
  • 裝入時(shí)間：第一個(gè)任務(wù)進(jìn)入流水線到輸出流水線的時(shí)間
  • 排空時(shí)間：最后一個(gè)任務(wù)進(jìn)入流水線到輸出流水線的時(shí)間
• 并不是流水段越多，指令執(zhí)行越快
  • 流水段緩沖之間的額外開銷增大：每個(gè)流水段有一些額外開銷用于緩沖間傳送數(shù)據(jù)、進(jìn)行各種準(zhǔn)備和發(fā)送等功能
  • 流水線間控制邏輯變多、變復(fù)雜：用于流水線優(yōu)化和存儲(chǔ)器（或寄存器）沖突處理的控制邏輯將隨流水段的增加而大增

2. 流水線的分類

1. 部件功能級(jí)、處理機(jī)級(jí)和處理機(jī)間級(jí)流水線

• 部件功能級(jí)流水：將復(fù)雜的算術(shù)邏輯運(yùn)算組成流水線工作方式。如：可將浮點(diǎn)加法操作分成求階差、對(duì)階、尾數(shù)相加及結(jié)果規(guī)格化等4個(gè)子過程
• 處理機(jī)級(jí)流水：把一條指令解釋過程分成多個(gè)子過程。如：取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫回5個(gè)字過程
• 處理機(jī)間流水：一種宏流水，其中每個(gè)處理機(jī)完成某一專門任務(wù)，各個(gè)處理機(jī)得到的結(jié)果需存放在與下一個(gè)處理機(jī)共享的存儲(chǔ)器中

2. 單功能流水線和多功能流水線

• 單功能流水：只能實(shí)現(xiàn)一種固定的專門功能的流水線
• 多功能流水：通過各段間的不同連接方式可以同時(shí)或不同時(shí)地實(shí)現(xiàn)多種功能的流水線

3. 動(dòng)態(tài)流水線和靜態(tài)流水線

• 靜態(tài)流水線：在同一時(shí)間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作
• 動(dòng)態(tài)流水線：在同一時(shí)間內(nèi)，當(dāng)某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻正在進(jìn)行另一種運(yùn)算

4. 線性流水線和非線性流水線

• 線性流水線：從輸入到輸出，每個(gè)功能段只允許經(jīng)過一次，不存在反饋回路
• 非線性流水線：存在反饋回路，從輸入到輸出，某些功能段將數(shù)次通過流水線（適合進(jìn)行線性遞歸的運(yùn)算）

3. 影響流水線的因素

• 機(jī)器周期的設(shè)置
  

1. 數(shù)據(jù)沖突（數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)）——同步

• 定義：在一個(gè)程序中，下一條指令會(huì)用到這一條指令計(jì)算出的結(jié)果
  

• 解決辦法

  • 把遇到數(shù)據(jù)相關(guān)的指令及其后續(xù)指令都暫停一至幾個(gè)時(shí)鐘周期，直到數(shù)據(jù)相關(guān)問題消失后再繼續(xù)執(zhí)行

    • 硬件阻塞（stall）
      

    • 軟件插入“NOP”（空操作）
      

  • 設(shè)置相關(guān)專用通路（數(shù)據(jù)旁路技術(shù)），即直接把前一條指令的ALU的計(jì)算結(jié)果作為自己的輸入數(shù)據(jù)開始計(jì)算過程

  • 通過編譯器對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)的指令編譯優(yōu)化，調(diào)整指令順序來解決數(shù)據(jù)相關(guān)

• 相關(guān)概念——讀寫順序顛倒

  • 讀后讀（RAR）相關(guān)：兩條連續(xù)的指令讀取相同的寄存器時(shí)會(huì)產(chǎn)生RAR相關(guān)，不會(huì)影響流水線
  • 寫后讀（RAW）相關(guān)：某條指令要讀取上一條指令所寫入的寄存器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生RAW相關(guān)，稱為數(shù)據(jù)相關(guān)或真相關(guān)，影響流水線
  • 讀后寫（WAR）相關(guān)和寫后寫（WAW）相關(guān)：某條指令的上條指令要讀/寫該指令的輸出寄存器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生WAR相關(guān)和WAW相關(guān)
  • 按序流動(dòng)的流水線只可能出現(xiàn)RAW相關(guān)；非按序流動(dòng)的流水線中，可能發(fā)生RAW、WAR和WAW相關(guān)
    

2. 控制沖突（控制冒險(xiǎn)）

• 定義：一條指令要確定下一條指令的位置，例如在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用或返回等指令時(shí)會(huì)改變PC值，而造成斷流
  

• 解決辦法

  • 對(duì)轉(zhuǎn)移指令進(jìn)行分支預(yù)測(cè)，盡早生成轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址
    • 靜態(tài)預(yù)測(cè)：預(yù)測(cè)條件不滿足，即繼續(xù)執(zhí)行分支指令的后續(xù)指令
    • 動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)：根據(jù)程序執(zhí)行的歷史情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)調(diào)整，有較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率
  • 預(yù)取轉(zhuǎn)移成功和不成功兩個(gè)控制流方向上的目標(biāo)指令
  • 加快和提前形成條件碼
  • 提高轉(zhuǎn)移方向的猜準(zhǔn)率

Cache缺失的處理過程也會(huì)引起流水線阻塞

3. 結(jié)構(gòu)相關(guān)（資源沖突）——互斥

• 定義：多條指令在同一時(shí)刻爭(zhēng)用同一資源而形成的沖突
  
• 解決辦法
  • 前一指令訪存時(shí)，使后一條相關(guān)指令（以及其后續(xù)指令）暫停一個(gè)時(shí)鐘周期
    
  • 單獨(dú)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和指令存儲(chǔ)器。使兩項(xiàng)操作各自在不同的存儲(chǔ)器中進(jìn)行

4. 流水線的性能指標(biāo)

1. 吞吐率

• 定義：單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量，或輸出結(jié)果的數(shù)量
• 公式：n為任務(wù)數(shù)，$T_k$是處理完n個(gè)任務(wù)所用時(shí)間$$TP=\frac{n}{T_k}$$
  

2. 加速比

• 定義：完成同樣一批任務(wù)，不使用流水線所用的時(shí)間和使用流水線所用的時(shí)間之比
• 公式：$T_0$表示不使用流水線時(shí)的執(zhí)行時(shí)間，$T_k$表示使用流水線時(shí)的執(zhí)行時(shí)間$$S=\frac{T_0}{T_k}$$
  

3. 效率

• 定義：流水線的設(shè)備利用率。時(shí)空?qǐng)D上，流水線的效率定義為完成n個(gè)任務(wù)占用的時(shí)空區(qū)有效面積，與n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間及k個(gè)流水段所圍成的時(shí)空區(qū)總面積之比。流水線的效率包含了時(shí)間和空間兩個(gè)因素
  

5. 超標(biāo)量流水線的基本概念

1. 超標(biāo)量流水線技術(shù)——空分復(fù)用

• 定義：每個(gè)時(shí)鐘周期可并發(fā)多條獨(dú)立指令（以并行操作方式將兩條或多條指令編譯并執(zhí)行），需配置多個(gè)功能部件
• 特點(diǎn)：不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序，只能通過編譯優(yōu)化技術(shù)
  

2. 超流水線技術(shù)——時(shí)分復(fù)用

• 定義：在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)再分段，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)一個(gè)功能部件使用多次
• 特點(diǎn)：不能調(diào)整指令的執(zhí)行順序，靠編譯程序解決優(yōu)化問題
  

3. 超長(zhǎng)指令字

• 定義：由編譯程序挖掘出指令間潛在的并行性，將多條能并行操作的指令組合成一條具有多個(gè)操作碼字段的超長(zhǎng)指令字
  

6. 五段式指令流水線

1. 運(yùn)算類指令

2. LOAD指令

3. STORE指令

4. 條件轉(zhuǎn)移指令

5. 無條件轉(zhuǎn)移指令

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的5.中央处理器的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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