【正文】 。 ? 控制相關(guān)：當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，轉(zhuǎn)移條件是由前一條指令建立的，轉(zhuǎn)移的執(zhí)行可能是順序取下條指令，也可能是轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令，由此而引起流水線斷流。在流水計(jì)算機(jī)中，指令的執(zhí)行是重疊進(jìn)行的，前一條指令還沒有結(jié)束，第二、三條指令就陸續(xù)開始工作。例如，如果指令和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，且只有一個(gè)端口時(shí)，正在執(zhí)行的兩條指令都需要訪問存儲(chǔ)器，就會(huì)發(fā)生資源相關(guān)沖突。因?yàn)榇嬖谝韵氯N相關(guān)沖突。 77 流水線中的主要問題 要使流水線具有良好的性能，必須使流水線暢通流動(dòng)，不發(fā)生斷流。第二臺(tái)處理機(jī)從該存儲(chǔ)器取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后傳送給第三臺(tái)處理機(jī)，如此串聯(lián)下去。由一串級(jí)聯(lián)的處理機(jī)組成流水線的各個(gè)過程段，每臺(tái)處理機(jī)負(fù)責(zé)某一特定的任務(wù)。如流水加法器、流水乘法器、流水除法器等。目前，高性能計(jì)算機(jī)都采用了指令流水線。 76 流水線的分類 ? 指令流水線：是指令步驟的并行。所以稱為 標(biāo)量流水線 。 75 標(biāo)量流水線和超標(biāo)量流水線的概念 從數(shù)學(xué)的角度講，標(biāo)量是指單個(gè)量，而向量是指一組標(biāo)量。 74 流水線與非流水線比較 直觀比較后發(fā)現(xiàn)，流水計(jì)算機(jī)在 8個(gè)時(shí)間單位內(nèi)執(zhí)行了 5條指令，而非流水計(jì)算機(jī)在 8個(gè)時(shí)間單位內(nèi)只執(zhí)行了 2條指令。 ? 這個(gè)指令周期中包含四個(gè)子過程：取指令（ IF）、指令譯碼（ ID）、執(zhí)行運(yùn)算（ EX）、結(jié)果寫回（ WB），每個(gè)過程稱為過程段（ Si），這樣，一個(gè)流水線由一系列的串聯(lián)的過程段組成。當(dāng)任務(wù)連續(xù)不斷地輸入流水線時(shí)，在流水線的輸出端便連續(xù)不斷地吐出執(zhí)行結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)子任務(wù)的并行性。 ? 當(dāng)執(zhí)行部件在執(zhí)行第 I條指令時(shí)，指令隊(duì)列中存放著第 I+I+ … 、 I+k條指令，與此同時(shí)，指令部件正在取第 I+k+1條指令。 72 流水計(jì)算機(jī)的組成 ? 圖 31給出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成原理示意圖。例如，奔騰 CPU采用了超標(biāo)量流水技術(shù)，在一個(gè)機(jī)器周期中同時(shí)執(zhí)行兩條指令，因而既具有時(shí)間并行性，又具有空間并行性。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展為空間并行帶來了巨大的生機(jī)，也成為目前實(shí)現(xiàn)并行處理的一個(gè)主要途徑。目前的高性能微型機(jī)幾乎無一例外地使用了流水技術(shù)。 時(shí)間并行性概念的實(shí)現(xiàn)方式就是采用流水處理部件。并行性概括起來主要有三種形式：時(shí)間并行、空間并行、時(shí)間并行 +空間并行。將互斥的微命令安排在同一小段， b、 i、 j互斥，安排在同一小段內(nèi)， e、 f、 h也互斥，也安排在一個(gè)小段內(nèi)；其它微命令（ a、 c、 d、 g）因?yàn)橄嗳荩鳛橹苯涌刂莆⒚?。又因?yàn)槲⒅噶钪杏卸鄠€(gè)微命令是兼容的 (a— e等 )，需同時(shí)產(chǎn)生 ，所以也不能用最短編碼法。 a— j分別代表 10種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)，假設(shè)一條微指令的操作控制字段為 8位，請(qǐng)安排微命令的操作控制字段格式，并將全部微指令代碼化。但 一般按微程序流程從小到大，把控制存儲(chǔ)器中沒有分配的微地址分配給不同的微指令 ，就得到全部微指令地址。 Z按同樣的辦法分配，后繼微地址選擇 10 1011。若 C的下址選擇為 0100。下址字段具有一定的約束條件， 一般要選則測(cè)試條件所控制的那幾位為 0，目的是簡(jiǎn)化地址的修改邏輯。又因?yàn)楣灿?16條微指令，所以下址字段需要 4位。 ① PC?B， F=B， F?MAR， Read ；讀指令的第一個(gè)字 ② PC?B， F=B+1， F?PC ③ MDR?B， F=B， F?IR ④ PC?B， F=B， F?MAR， Read ；讀指令的第二個(gè)字 ⑤ PC?B， F=B+1， F?PC ⑥ MDR?B， F=B， F?Y ⑦ SP?B， F=B1， F?SP， F?MAR ；修改棧指針 ⑧ PC?B， F=B， F?MDR， Write ⑨ Y?A， F=A， F?PC ；子程序首地址送 PC ⑩ END 工作之一 設(shè)計(jì)微操作序列 64 設(shè)計(jì)舉例（二） 例二、圖 32為一微程序流程，每個(gè)方框代表一條微指令，分別用字符 A— P表示其執(zhí)行的微操作，根據(jù)給定的微程序流程設(shè)計(jì)微指令的順序控制字段，并為每條微指令分配一個(gè)地址。在圖中， Y為暫存器， PC為程序計(jì)數(shù)器， MAR為地址寄存器， MDR為數(shù)據(jù)緩沖寄存器， IR為指令寄存器。 JSR指令占兩個(gè)字，第一個(gè)字是操作碼，第二個(gè)字是子程序的入口地址。 62 七、設(shè)計(jì)舉例（一） 例 某計(jì)算機(jī)的 CPU內(nèi)部為雙總線結(jié)構(gòu)，所有數(shù)據(jù)傳送都通過ALU， ALU具有下列功能， CPU結(jié)構(gòu)如圖所示。 ③ 編制微程序 ：對(duì)微命令系統(tǒng)、微指令格式進(jìn)行核對(duì)、審查、修改、優(yōu)化之后，便可以編制機(jī)器指令的微程序。微程序控制單元的設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是編寫各條機(jī)器指令的微程序。 根據(jù)邏輯表達(dá)式，可以畫出對(duì)應(yīng)每一個(gè)微操作信號(hào)的邏輯電路圖，并用邏輯門電路來實(shí)現(xiàn)。 確定機(jī)器指令的微操作序列之后，按照下列步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)： ① 列出微操作命令的操作時(shí)間表 把機(jī)器指令的各個(gè)階段的微操作按照時(shí)間順序列表，這樣可以更好地理清楚它們之間的關(guān)系。不同類型的控制器僅是控制單元的實(shí)現(xiàn)方法不同。 ? CPU外部的控制信號(hào)，即送往主存或外設(shè)的控制信號(hào)，用于控制 CPU與主存和外設(shè)的數(shù)據(jù)交換?？刂茊卧?CU（微操作控制信號(hào)發(fā)生器）是控制器的核心。用于動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)的控制存儲(chǔ)器稱為可寫控制存儲(chǔ)器（ WCS）。假如在一臺(tái)微程序控制的計(jì)算機(jī)中，能根據(jù)用戶的要求改變微程序，那么這臺(tái)機(jī)器就具有動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)功能。 ? 串行執(zhí)行方式：在這種方式下，取微指令、執(zhí)行微指令完全按順序進(jìn)行，也就是在上條微指令執(zhí)行完，才取下條微指令。所以微指令的執(zhí)行方式可分為串行和并行兩種方式。 57 微指令的執(zhí)行方式 執(zhí)行微指令的過程與執(zhí)行機(jī)器指令的過程類似。 垂直型微指令并行操作能力差、執(zhí)行機(jī)器指令的速度慢；但微程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 ? 垂直型微指令 ：一次只能定義并執(zhí)行一個(gè)微命令的微指令，叫做垂直型微指令。 水平型微指令并行操作能力強(qiáng)、執(zhí)行機(jī)器指令的速度快；但微程序設(shè)計(jì)復(fù)雜。 ? 水平型微指令 ：一次能定義并執(zhí)行多個(gè)微命令的微指令，叫做水平型微指令。 56 微指令的格式 微指令的編碼方式是決定微指令格式的主要因素。 （某小段 3位，最多定義 7個(gè)相斥微命令， 000表示不操作）。 （ 否則增加譯碼難度和譯碼時(shí)間 ）。 ? 應(yīng)與數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。 ? 字段間接編碼法：為進(jìn)一步縮短微指令的長(zhǎng)度，小字段譯碼后進(jìn)行邏輯組合 ，也就是字段間的某些譯碼輸出聯(lián)合定義微命令 。分為兩種：字段直接編碼法和字段間接編碼法。 以上兩種編碼方法處于兩個(gè)極端，因此在實(shí)際中很少單獨(dú)使用，只能與其它方法配合使用。 這種方式下的操作控制字段， 1位能定義 21個(gè)微命令， 2位能定義 41個(gè)微命令， …… ， N位能定義 2N1個(gè)微命令（留出 1個(gè)空操作）。缺點(diǎn)是微指令字太長(zhǎng)，控制存儲(chǔ)器容量較大。該位為 1微命令有效、為 0微命令無效。微指令編碼方法就是操作碼字段的編碼方法。 ? 設(shè)計(jì)微指令結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)追求如下目標(biāo)： ? 有利于縮短微指令的字長(zhǎng)； ? 有利于減小控制存儲(chǔ)器的容量； ? 有利于方便微指令的修改； ? 有利于提高微程序執(zhí)行的速度； ? 有利于加強(qiáng)微程序設(shè)計(jì)的靈活性。當(dāng)轉(zhuǎn)移條件滿足時(shí)，由轉(zhuǎn)移地址字段的內(nèi)容形成下一個(gè)微地址，若無轉(zhuǎn)移要求，則直接根據(jù)微程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容取出下一條微指令。 50 后繼微地址的形成（續(xù)三） ? 增量和斷定結(jié)合方式 ：增量方式與斷定方式的結(jié)合，既要在微程序控制器中設(shè)置微程序計(jì)數(shù)器，又要在每條微指令中設(shè)置順序控制字段。同時(shí)通過轉(zhuǎn)移控制字段進(jìn)行條件測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)下地址修改，形成轉(zhuǎn)移微地址。（ 能否把地址寄存器改造為程序計(jì)數(shù)器？ ） ? 增量方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、編制微程序容易；缺點(diǎn)是在微程序中會(huì)出現(xiàn)大量的轉(zhuǎn)移微指令（約占 25%），另外又要區(qū)分普通微指令和轉(zhuǎn)移微指令，使得微程序控制電路復(fù)雜化。當(dāng)轉(zhuǎn)移條件滿足時(shí)，把轉(zhuǎn)移地址字段的內(nèi)容作為下一個(gè)微地址