【正文】 PC＋1).(五) 指令流水線1. 指令流水線的基本概念(1)流水線基本原理:指令取指完成后,不等該指令執(zhí)行完畢即可取下一條指令.如果把一條指令的解釋過程進(jìn)一步細(xì)分,例如,把分析,執(zhí)行兩個(gè)過程分成取指,譯碼,執(zhí)行,訪存和寫回寄存器五個(gè)子過程,并用五個(gè)子部件分別處理這五個(gè)子過程. 這樣只需在上一指令的第一子過程處理完畢進(jìn)入第二子過程處理時(shí),這種重疊操作最后可達(dá)到五個(gè)子部件同時(shí)對五條指令的子過程進(jìn)行操作.指令六級流水時(shí)序(2)影響流水線性能的因素在流水線中會出現(xiàn)三種相關(guān),影響流水線的暢通流動(dòng),這三種相關(guān)是結(jié)構(gòu)相關(guān),數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān).結(jié)構(gòu)相關(guān)是當(dāng)多條指令進(jìn)。而在非順序執(zhí)行時(shí)則要產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)移微地址.2增量與下址字段結(jié)合產(chǎn)生后繼微地址 將微指令的下址字段分成兩部分:轉(zhuǎn)移控制字段BCF和轉(zhuǎn)移地址字段BAF,當(dāng)微程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí),將BAF送181。 DB→IR等.PC→AB等就是微命令.微指令:在微程序控制的計(jì)算機(jī)中,將由同時(shí)發(fā)出的控制信號所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令,按次序執(zhí)行這些微指令,.微程序:計(jì)算機(jī)的程序由指令序列構(gòu)成,而計(jì)算機(jī)每條指令的功能均由微指令序列解釋完成,這些微指令序列的集合就叫做微程序.(2)微指令的編碼方式。cy2 只需要一個(gè)與門,就可實(shí)現(xiàn)命令A(yù).2. 微程序控制器(1)微程序,微指令和微命令在計(jì)算機(jī)中,一條指令的功能是通過按一定次序執(zhí)行一系列基本操作完成的,前面講到的加法指令,分成四步(取指令,計(jì)算地址,取數(shù),加法運(yùn)算)完成,.微操作是指最基本的,不可再分的操作,如前面提到的: PC→AB。OP1+減法指令+邏輯加指令+…)cy2+邏輯加指令cy2+… 設(shè)機(jī)器有7位操作碼(OP0～OP6),假設(shè)加法指令的操作碼為0001100,形成的加法指令信號的邏輯表達(dá)式為: 加法指令= OP0OP1OP2OP3OP4OP5OP6如,某機(jī)器128條指令,用7位操作碼(OP0～OP6),如果其中有16條算術(shù)邏輯運(yùn)算指令,可以將這些指令的3位操作碼都設(shè)計(jì)相同的編碼,如OP0OP1OP2= 001,而其他位OP3～OP6編碼表示16個(gè)不同的指令. 設(shè)命令A(yù)是所有算術(shù)邏輯運(yùn)算在cy2周期需要產(chǎn)生的,邏輯表達(dá)式: A=加法指令(cy2+cy4)+減法指令轉(zhuǎn)移指令的cy2(計(jì)算有效地址)時(shí)需要。運(yùn)算結(jié)果送地址總線例如,“+”操作控制信號在加法指令的cy2(計(jì)算有效地址)和cy4(操作數(shù)相加)時(shí)需要。ALU執(zhí)行加法操作 ALU→AR=加法指令偏移量送ALU “+”=加法指令通用寄存器送ALU Disp→ALU=加法指令送通用寄存器地址 (rs1)→ALU=加法指令將程序計(jì)數(shù)器加1計(jì)算地址周期cy2需要完成有效地址((rs1)+Disp): rs1→GR=加法指令讀操作 DB→IR=cy1 。存儲器地質(zhì)有效 M/IO=cy1 。將PC送地址總線 ADS=cy1DB→DR(將地址寄存器內(nèi)容送地址總線,同時(shí)發(fā)訪存讀命令,存儲器讀出數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線后,打入數(shù)據(jù)寄存器).④執(zhí)行周期進(jìn)行加法運(yùn)算,結(jié)果送寄存器,并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果置狀態(tài)位N,Z,V,C. 控制器送出的控制信號:rs,rd→GR, (rs)→ALU,DR→ALU(兩個(gè)源操作數(shù)送ALU)?！?”(加法命令送ALU)。DB→IR。,可能是一個(gè)機(jī)器周期到幾個(gè)機(jī)器周期.因此,每條指令的執(zhí)行過程如下: 取指周期執(zhí)行周期1執(zhí)行周期2執(zhí)行周期3執(zhí)行周期4 第一個(gè)機(jī)器周期總是取指周期,而指令的地址總是從PC中獲得,當(dāng)發(fā)出讀取存儲器命令后,指令總是從數(shù)據(jù)總線DB送回,CPU接受到指令之后,. 第二個(gè)機(jī)器周期開始,根據(jù)指令有所不同: 執(zhí)行一次ALU運(yùn)算:分配一個(gè)機(jī)器周期. 執(zhí)行訪問一次存儲器:分配一個(gè)機(jī)器周期. 所以,根據(jù)指令執(zhí)行的不同情況,將會得到不同指令執(zhí)行所占用的機(jī)器周期. 根據(jù)每個(gè)機(jī)器周期完成的任務(wù)不同,.2．指令執(zhí)行過程舉例 假設(shè)指令格式如下:操作碼rs,rdrs1imm(Disp) rs,rd,rsl為通用寄存器地址。又如執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令時(shí),根據(jù)不同的條件產(chǎn)生不同的控制信號,從而進(jìn)入適當(dāng)?shù)某绦蚍种?(二) 指令執(zhí)行過程1．指令執(zhí)行的時(shí)序 計(jì)算機(jī)工作的過程是取指令,分析指令,(寄存器,存儲器)存儲器的速度最慢,因此,取最慢的器件工作時(shí)間(周期)作為整個(gè)工作的最長同步標(biāo)準(zhǔn). ,(讀/寫),這個(gè)時(shí)間也用于訪問外設(shè)接口(寄存器).如果,某個(gè)操作,比如利用運(yùn)算器執(zhí)行一次運(yùn)算,如果不訪問存儲器,即使占用的時(shí)間很短,但是,機(jī)器周期是計(jì)算時(shí)序劃分的最大單位.現(xiàn)在我們?yōu)橛?jì)算機(jī)的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行最基本的劃分:由于計(jì)算機(jī)不斷地重復(fù)執(zhí)行每個(gè)指令,所以,我們將執(zhí)行的時(shí)間劃分為一條一條指令執(zhí)行所占用的時(shí)間,如下: 執(zhí)行指令1執(zhí)行指令2執(zhí)行指令3執(zhí)行指令4執(zhí)行指令5 ,因此執(zhí)行的時(shí)間也不同,指令周期長短不一樣. 而每條指令的執(zhí)行,又可以是取指令,分析指令,所占用的時(shí)間極短,(結(jié)束之前的很短時(shí)間內(nèi)):可能不訪問存儲器。而在另一些計(jì)算機(jī)中則用來存放即將要執(zhí)行的下一條指令地址。再取指,再分析,再執(zhí)行,如此循環(huán),直到遇到停機(jī)指令或外來的干預(yù)為止.4)．控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出根據(jù)程序的安排或人的干預(yù),在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候向輸入輸出設(shè)備發(fā)出一些相應(yīng)的命令來完成I/O功能,這實(shí)際上也是通過執(zhí)行程序來完成的.5)．對異常情況和某些請求的處理當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)某些異常情況,諸如算術(shù)運(yùn)算的溢出和數(shù)據(jù)傳送的奇偶錯(cuò)等。目前一些大公司,IBM,DEC,Intel,Motorola以將部分力量轉(zhuǎn)移到RISC方面.(4)CISC機(jī)與RISC機(jī)的主要特征對比 采用 流水技術(shù) 一個(gè)時(shí)鐘周期 內(nèi)完成一條指令6)硬布線控制邏輯為主,不用或少用微碼控制。只有 LOAD / STORE 指令訪存4)CPU中的寄存器數(shù)量很多。選用使用頻度較高的一些 簡單指令,復(fù)雜指令的功能由簡單指令來組合2)指令長度固定。當(dāng)執(zhí)行彈出操作時(shí),首先把sp所指定的單元(即棧頂)的數(shù)據(jù)取出,然后根據(jù)數(shù)據(jù)的大小(即所占的字節(jié)數(shù))對SP增量.設(shè)計(jì)指令格式應(yīng)考慮的各種因素指令系統(tǒng)集中反映了機(jī)器的性能,又是程序員編程的依據(jù),高檔機(jī)必須能兼容低檔機(jī)的程序運(yùn)行,稱之為“向上兼容”.,在確定指令系統(tǒng)時(shí),必須從以下幾個(gè)方面綜合考慮.① 操作類型：包括指令數(shù)及操作的難易程度② 數(shù)據(jù)類型：確定哪些數(shù)據(jù)類型可以參加操作③ 指令格式：包括指令字長、操作碼位數(shù)、地址碼位數(shù)、地址個(gè)數(shù)、尋址方式類型、以及指令字長和操作碼位數(shù)是否可變等.④ 尋址方式：包括指令和操作數(shù)具體有哪些尋址方式.⑤ 寄存器個(gè)數(shù)：寄存器的多少直接影響指令的執(zhí)行時(shí)間.尋址方式詳情指令尋址順序?qū)ぶ讽樞驅(qū)ぶ房赏ㄟ^程序計(jì)數(shù)器PC加1自動(dòng)形成下一條指令的地址跳躍尋址跳躍尋址則通過轉(zhuǎn)移類指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)尋址操作數(shù)本身設(shè)在指令字內(nèi),即形式地址A不是操作數(shù)地址而是操作數(shù)本身l 指令執(zhí)行階段不訪存l A的位數(shù)限制了這類指令所能表述的立即數(shù)的范圍指令中的形式地址A就是操作數(shù)的真實(shí)地址EA,即EA=A l 執(zhí)行階段訪問一次存儲器l 缺點(diǎn)在于A的位數(shù)限制了操作數(shù)的尋址范圍而且必須修改A的值才能修改操作數(shù)的地址指令字中不明顯給出操作數(shù)的地址,其操作數(shù)的地址隱含在操作碼或某個(gè)寄存器中l(wèi) 由于隱含尋址在指令字中少了一個(gè)地址,因此,這種尋址方式的指令有利于縮短指令字長倘若指令字中的形式地址不直接指出操作數(shù)的地址,而是指出操作數(shù)有效地址所在的存儲單元的地址,也就是說,有效地址是由形式地址間接提供的,即為間接地址,即EA=(A)優(yōu)點(diǎn)1. 與直接尋址相比,擴(kuò)大了操作數(shù)的尋址范圍,因?yàn)锳的位數(shù)通常小于指令字長,而存儲字長可與指令字長相等2. 它便于編制程序缺點(diǎn)l 指令的執(zhí)行階段需要訪存兩次(一次間接尋址)或多次(多次間接尋址),致使指令執(zhí)行時(shí)間延長在寄存器尋址的指令字中,地址碼字段直接指出了寄存器的編號,即EA=Rl 由于地址字段只需指明寄存器編號(計(jì)算機(jī)中寄存器數(shù)有限)故指令字l 較短,節(jié)省了存儲空間,因此寄存器尋址在計(jì)算機(jī)中得到廣泛應(yīng)用l 執(zhí)行階段不訪存,只訪問寄存器,執(zhí)行速度快l 寄存器個(gè)數(shù)有限,可縮短指令字長有效地址EA+=(Ri),因有效地址l 有效地址在寄存器中, 操作數(shù)在存儲器中,執(zhí)行階段訪存l 便于編制循環(huán)程序基址尋址需設(shè)有基址寄存器BR,其操作數(shù)的有效地址EA等于指令字中的形式地址與基址寄存器中的內(nèi)容(稱為基地址)相加,即EA=A+(BR)采用專用寄存器作基址寄存器l 可擴(kuò)大尋址范圍l 有利于多道程序l BR內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定l 在程序的執(zhí)行過程中 BR 內(nèi)容不變,形式地址 A 可變采用通用寄存器作基址寄存器l 由用戶指定哪個(gè)通用寄存器作為基址寄存器l 基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定l 在程序的執(zhí)行過程中 R0 內(nèi)容不變,形式地址 A 可變,即EA=A+(IX)l 可擴(kuò)大尋址范圍l IX 的內(nèi)容由用戶給定l 在程序的執(zhí)行過程中 IX 內(nèi)容可變,形式地址 A 不變l 便于處理數(shù)組問題～的有效地址是將PC的內(nèi)容(即當(dāng)前指令地址)與指令字中的形式地址A(A 是相對于當(dāng)前指令的位移量(可正可負(fù),補(bǔ)碼)相加而成,即EA=(PC)+Al A 的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍l 程序浮動(dòng)l 廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)移指令(稱為硬堆棧)來實(shí)現(xiàn),也可利用主存的一部分空間作堆棧(稱為軟堆棧)l 硬堆棧 多個(gè)寄存器l 軟堆棧 制定的存儲空間 (三) CISC和RISC的基本概念1．CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)的硬件成本不斷下降,軟件成本不斷提高,使得人們熱衷于在指令系統(tǒng)中增加更多的指令和復(fù)雜的指令,來提高操作系統(tǒng)的效率,并盡量縮短指令系統(tǒng)與高級語言的語義差別,以便于高級語言的編譯和降低軟件成本. 另外,為了做到程序兼容,同一系列計(jì)算機(jī)的新機(jī)器和高檔機(jī)的指令系統(tǒng)只能擴(kuò)充而不能減去任意一條,因此,促使指令系統(tǒng)越來越復(fù)雜,DEC公司的VAX 11/780計(jì)算機(jī)有303條指令,18種尋址方式,我們稱這些計(jì)算機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(plex instruction set puter,簡稱CISC).Intel公司的180X86微處理器,IBM公司的大,中計(jì)算機(jī)均為CISC. 2．RISC(簡單指令集計(jì)算機(jī))(1)RISC的產(chǎn)生 1975年IBM公司開始研究指令的合理性問題,IBM的John cocke 提出了RISC的想法. 對CISC的測試表明:最長使用的是一些簡單指令,占指令總數(shù)的20%,但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%. 而占20%的復(fù)雜指令,為實(shí)現(xiàn)其功能而設(shè)計(jì)的微程序代碼卻占總代碼的80%.CISC研制時(shí)間長,成本高,難于實(shí)現(xiàn)流水線。彈出指令(POP)的操作剛好相反,是把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)取出,送到指令所指定的目的地.一般的計(jì)算機(jī)中,堆棧從高地址向低地址擴(kuò)展,即棧底的地址總是大于或等于棧頂?shù)牡刂?也有少數(shù)計(jì)算機(jī)剛好相反)當(dāng)執(zhí)行壓入操作時(shí),首先把堆棧指針(SP)減量(減量的多少取決于壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),若壓入一個(gè)字節(jié),則減1。(3)15條一地址指令的操作碼由12位操作碼從111111110000～111111111110給出,剩下的一個(gè)碼點(diǎn)111111111111用于把操作碼擴(kuò)展到A3,即從12位擴(kuò)展到16位。如果裝入位為假時(shí),表示該頁不在存儲器中,就產(chǎn)生頁失效中斷,需從外存調(diào)入頁.中斷處理時(shí)先通過外部地址變換,一般通過查外頁表,將虛地址變換為外存中的實(shí)際地址,到外存中去選頁,然后通過I/.,每次訪存都要讀頁表,如果頁存放在主存中,就意味著訪存時(shí)間至少是兩次訪問主存的時(shí)間,虛擬存儲器才能實(shí)用.根據(jù)訪存的局部性,可能只用表中的很少幾項(xiàng),因此應(yīng)重點(diǎn)提高使用概率高的這部分頁表的訪問速度,可用快速硬件構(gòu)成全表小得多的部分表格,而將整個(gè)表格放在主存中,虛地址到實(shí)地址的變換方法如后圖所示.查表時(shí),根據(jù)虛頁表同時(shí)查找快表和慢表,當(dāng)在快表中查到該虛頁號時(shí),就能很快找到對應(yīng)的實(shí)頁號,將其送入主存實(shí)地址寄存器,同時(shí)使慢表的查找作廢,這時(shí)主存的訪問速度沒降低多少.如果在快表中查不到,則經(jīng)過一個(gè)訪主存的時(shí)間延遲后,將從慢表中查到的實(shí)頁送入實(shí)地址寄存器,同時(shí)將此虛頁號和對應(yīng)的實(shí)頁號送入快表,這里也涉及到用一個(gè)替換算法從快表中替換出一行.快表的存在對所有的程序員都是透明的.軟磁盤存儲器硬盤軟盤速度高低磁頭固定、活動(dòng)、浮動(dòng)活動(dòng)、接觸盤片盤片固定盤、盤組大部分不可換可換盤片價(jià)格高低環(huán)境苛刻四, 指令系統(tǒng)人們習(xí)慣把每一條機(jī)器語言的語句稱為機(jī)器指令,而又將全部機(jī)器指令的集合稱為機(jī)器的指令系統(tǒng)指令的執(zhí)行過程 讀取指令 指令地址(在PC中)送到地址寄存器 讀主存,讀出內(nèi)容(指令代碼)送入指令寄存器IR 分析指令 形成下一條指令的地址并送到PC中 執(zhí)行指令 用一到幾個(gè)執(zhí)行步驟,完成指令的運(yùn)算、操作功能, 不同的指令操作步驟和具體運(yùn)算、操作功能各不相同 減產(chǎn)有無中斷請求