1、计算机组成原理天津大学四、指令系统四、指令系统 指令系统处在硬件系统和软件系统之间，是软、硬件之间的接口。指令是计算机运行的最小功能单元，是指挥计算机硬件运行的命令，由若干位二进制代码表示，硬件可以直接识别与执行。CPU的工作，基本上体现为执行指令。CPU能够执行的所有指令的集合构成该机的指令系统。1）设计指令系统要求：完备性，指令齐全，编程方便 规整性，格式与运算规则统一 计算机组成原理天津大学 高效性，占内存少，运行省时 兼容性，同一系列机软件兼容 2）确定指令系统的2种思路：RISC、CISC(一）指令格式一）指令格式 1.1.指令的基本格式指令的基本格式 指令字长：指令字中二进制代码的
2、位数。指令字长（字节倍数）=0.5、1、2个机器字长 2.2.定长操作码指令格式定长操作码指令格式(操作码长度一致，位操作码长度一致，位 于指令的固定字段）于指令的固定字段）操作码操作码 地址码地址码计算机组成原理天津大学 OP A1 A2 A3 优点：有利于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度，便于扩充操作种类。3.3.扩展操作码指令格式扩展操作码指令格式 在不增加指令字长的情况下，可以表示更多的指令，但增加了指令译码和分析难度，要求更多的硬件支持0 0 0 0 A1 A2 A3 15条三地址指令1 1 1 0 A1 A2 A3计算机组成原理天津大学1 1 1 1 0 0 0 0 A1
3、 A2 15条二地址指令1 1 1 1 1 1 1 0 A1 A21 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 A1 15条一地址指令1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 A11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 16条零地址指令1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 例：某指令系统指令字长16位，每个操作数的地址码长6位，指令分为无操作数、单操作数和双操作数三类。若双操作数指令为K种，计算机组成原理天津大学 无操作数指令为L种，问单操作数指令最多可能为几种？设机器指令字长16位，指令中地址字段的长度4位，如果指令系统中已有11条三
4、地址指令，72条二地址指令和64条零地址指令，问最多能规定多少一地址指令？（二）指令的寻址方式（二）指令的寻址方式.有效地址的概念有效地址的概念 LxK6642)2)2(642)2)722)112(4444x计算机组成原理天津大学 形式地址：指令中地址字段内容 有效地址：主存地址或寄存器编号2数据寻址和指令寻址数据寻址和指令寻址数据寻址是指获得操作数的有效地址的方法指令寻址是指确定将要执行的下一条指令的地址的方法。通常有两种方法：顺序寻址：PC增量的方式自动形成下一条指令的地址转移寻址：需要提供转移地址装入PC，转移完成后，按照新的转移地址去执行。转移地址的形成和操作数地址相同。计算机组成原理
5、天津大学.常见寻址方式常见寻址方式 1）立即寻址）立即寻址 立即寻址是寻址的最简单形式。在这种方式中由指令给出操作数，又称为立即数。2）直接寻址）直接寻址 EA=A 指令的地址字段含有操作数的有效地址，根据该地址可以直接读取操作数。3）间接寻址）间接寻址 EA=(A)指令的地址字段指示一个存储器地址，而此地址中存放操作数的有效地址。计算机组成原理天津大学 4）寄存器寻址）寄存器寻址 EA=R 指令的地址字段给出寄存器号（寄存器地址），操作数在指定的寄存器中。5）寄存器间接寻址）寄存器间接寻址 EA=(R)指令的地址字段给出寄存器号，操作数的有效地址在指定的寄存器中。6）相对寻址）相对寻址 EA
6、=(PC)+A 相对寻址是将程序计数器PC的当前内容与指令中给出的形式地址相加，形成有效地址。计算机组成原理天津大学 7）基址寻址）基址寻址 操作数的有效地址等于基址寄存器的内容与指令中的形式地址之和。8）变址寻址）变址寻址 操作数的有效地址等于变址寄存器的内容与指令中的形式地址之和。9）堆栈寻址）堆栈寻址 一种由堆栈支持的寻址方式，即隐含约定堆栈指针寄存器SP的内容为栈顶单元的地址码，并可根据堆栈操作的性质自动修改SP内容。AREAb)(ARxEA)(计算机组成原理天津大学(R)+-(R)计算机组成原理天津大学 16(09),某机器字长16位，主存按字节编址，转移指令采用相对寻址，由两个字节
7、组成，第一字节为操作码字段，第二字节为相对位移量字段。假定取指令时，每取一个字节PC自动加1。若转移指令所在主存地址为2000H，相对位移量字段的内容为06H，则该转移指令成功转移后的目标地址是：A 2006H B 2007H C 2008H D 2009H 例：某计算机的指令系统有寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址、和相对寻址等寻址计算机组成原理天津大学方式，设当前指令的地址码部分为0002H，正在执行的指令所在地址为1000H，如下所示 1000H 寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址所使用的寄存器的内容为0003H，问 （1）当执行取数指令时，如为寄存器间接寻址方式，操作数地址是多少？
8、0003H 如为变址寻址方式，操作数地址是多少？0005H （2）当执行转移指令时，转移地址又是多少？1003H OP 0002H计算机组成原理天津大学 设（R）1000H，（1000H）2000H，（2000H）3000H，（Rx）1000H，指令中地址字段的内容为1000H，问在以下寻址方式下访问到的操作数的值是什么？（3分）1）寄存器间接寻址2000H 2）变址寻址3000H 3）间接寻址3000H 43(10).某计算机字节长为16位，主存地址 空间大小为128KB，按字编址。采用单字指 令格式，指令各字段定义如下：计算机组成原理天津大学 源操作数源操作数 目的操作数目的操作数转移指令
9、采用相对寻址方式，相对偏移用补码表示，寻址方式定义如下：Op Ms Rs Md Rd15 12 11 6 5 0Ms/Md寻址方式寻址方式助记符助记符 含义含义000B寄存器直接Rn操作数=(Rn)001B寄存器间接(Rn)操作数=(Rn)010B寄存器间接、自增(Rn)+操作数=(Rn)(Rn)+1 (Rn)011B相对D(Rn)转移目标地址=(PC)+(Rn)计算机组成原理天津大学 注：(X)表示存储地址X或寄存器X的内容，请回答下列问题：(1)、该指令系统最多可有多少条指令？该计算机最多有多少个通用寄存器？存储器地址寄存器(MAR)和存储器数据寄存器(MDR)至少各需多少位？(2)、转移
10、指令的目标地址范围是多少？(3)、若操作码0010B表示加法操作(助记符为add)，寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B，R4的内容为1234H，R5的内容为5678H，地址1234H中的内容为5678H，地址5678H中的内容为1234H，则汇编语言为add(R4)，(R5)+(逗号前为源操作数，逗号后计算机组成原理天津大学为目的操作数)对应的机器码是什么(用十六进制表示)？该指令执行后，哪些寄存器和存储单元的内容会改变？改变后的内容是什么？（1）OP4位，最多可有16条指令 寄存器编号3位，最多有8个通用寄存器 按字编址，容量 64K字，MAR至少需要16位，字长16位，MDR也
11、至少16位 （2）转移指令的目标地址范围64K （3）add(R4),(R5)+对应的机器码为：0010 001 100 010 101B=2315H (R5)=5679H (5678)=5678+1234=68ACH计算机组成原理天津大学（二）（二）CISC和和RISC的基本概念的基本概念 指令格式、执行时间、指令操作、编译、指令格式、执行时间、指令操作、编译、控制方式、寄存器设置控制方式、寄存器设置 RISC：采用简单的指令格式和寻址方式，指令长度固定；大部分指令可以在一个周期内完成；尽量都在CPU芯片上的寄存器之间进行，只有LOAD/STORE指令访问存储器；优化编译技术；硬布线控制逻辑
12、为主，很少或根本不用微程序控制；使用较多的通用寄存器以减少访存，不设置或少设置专用寄存器 计算机组成原理天津大学17(09),下列关于RISC的叙述中错误的是 A RISC普遍采用微程序控制 B RISC大多数指令在一个周期内完成 C RISC内部通用寄存器的数量比CISC多 D RISC的指令数、寻址方式和指令格式种类相对CISC少例：下面选项中，描述正确的是（）A RISC机器不一定是流水CPU B RISC机器一定是流水CPU C RISC机器有复杂的指令系统 D RISC机器配备数量很少的通用寄存器计算机组成原理天津大学例：下列关于RISC和CISC的描述中，不正确的是（）A RISC
13、大多数指令在一个时钟周期内完成 B RISC一定是流水的 C CISC一定是流水的 D RISC普遍采用硬布线控制器例：RISC访存指令中，操作数的物理位置一般安排在()A栈顶和次栈顶 B两个主存单元 C一个主存单元和一个通用寄存器 D两个通用寄存器计算机组成原理天津大学五、中央处理器五、中央处理器（一）（一）CPU的功能和基本结构的功能和基本结构 冯诺依曼结构计算机：存储程序计算机 计算机的主要功能是执行程序，程序是指令的有序序列。计算机执行程序过程：从程序的第一条指令开始执行，每条指令的执行分若干个操作步骤，并形成下条要执行的指令地址，自动连续执行指令，直到程序结束。计算机组成原理天津大学
14、 1.功能功能 指令控制控制指令的执行顺序 操作控制（时间控制）控制指令的操作步骤 数据加工（处理）对数据进行运算处理 处理异常和请求处理运算中的错误情况及外部设备的服务请求等 2.基本结构基本结构 1）运算器）运算器：负责完成对操作数据的加工处理任务。相对控制器而言，它是执行部件。组成：ALU：完成对数据的运算处理（算术和逻辑运算）。计算机组成原理天津大学计算机组成原理天津大学 累加器累加器：暂时存放参加ALU运算的操作数据和结果。数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器：用来暂时存放从主存储器、IO设备读出的数据或者准备写入主存储器、输入/输出设备的数据。（作用）状态标志寄存器状态标志寄存器：用来保存
15、由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果而建立的各种条件码内容。2）控制器：）控制器：控制指令执行（包括每条指令的正确执行（取指令、指令译码、执行）及自动连续执行指令）；程序和数据的输入输出及异常情况处理（中断）计算机组成原理天津大学 组成：程序计数器程序计数器PC：当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址（顺序、转移），保证程序能够自动连续地执行。指令寄存器指令寄存器：保存当前正在执行的一条指令字代码 指令译码器指令译码器：对指令寄存器中的操作码字段进行分析 时序产生器时序产生器：用来产生一系列的时序信号，保证各个微操作的执行顺序。计算机组成原理天津
16、大学 操作控制器（产生控制信号）操作控制器（产生控制信号）：根据指令译码器产生的操作控制信号，时序控制部件产生的时序信号以及其他控制条件产生整个机器所需要的全部微操作控制信号。这些控制信号引向计算机各个部件，以便正确地建立数据通路，控制程序的正确执行。地址寄存器地址寄存器：保存当前CPU所访问的内存单元的地址或IO设备地址。现代计算机的CPU应包括：运算器、控制器和Cache 计算机组成原理天津大学18(10).下列寄存器中，汇编语言程序员可见的是（）A存储器地址寄存器（MAR）B程序计数器（PC）C存储器数据寄存器（MDR）D指令寄存器（IR）11(09).冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进
17、制形式存放于存储器中，CPU区分它们的依据是()A 指令操作码的译码结果 B 指令和数据的寻址方式 C 指令周期的不同阶段 D 指令和数据所在的存储单元计算机组成原理天津大学（二）指令执行过程（二）指令执行过程 指令的执行过程，是由指令的具体功能和计算机结构（数据通路）决定的。概括来讲，一条指令的执行过程，分为取指令、分析指令、取指令、分析指令、指令执行指令执行等几个步骤。其中取指令取指令对所有指令是相同的（公操作公操作，完成将指令从主存取出送到控制器的指令寄存器），分析指令（指令译码）不同的指令差异也不大，而且，一般在取指令的同时，就准备好下条指令的地址。不同指令在执行时的主要差异表现在指令
18、执行指令执行这一步骤。计算机组成原理天津大学 有的指令需要取操作数（1或2个），与寻址方式有关（熟悉各种寻址方式的寻址过程），根据寻址方式计算操作数地址并取出操作数。执行指令与指令类型有关（熟悉指令功能），完成操作码规定的动作，并传送结果及记录状态信息。如算逻指令、传送指令、转移指令等（三）数据通路的结构和功能（三）数据通路的结构和功能 数据通路：数据通路：在计算机中，数据、指令、地址从一个部件传送到另一个部件所经历的路径（包括传送路径及路径上的设备）。功能：传送数据、地址、指令 基本结构：如运算器就是数据通路的一部分计算机组成原理天津大学（四）控制器的（四）控制器的功能功能和工作原理和工作原
19、理 根据时序产生器和控制信号产生电路的不根据时序产生器和控制信号产生电路的不同和不同的工作原理，有两种不同类型的控制同和不同的工作原理，有两种不同类型的控制器。器。1.硬布线控制器（组合逻辑控制器）硬布线控制器（组合逻辑控制器）采用组合逻辑电路，依据指令及其执行步采用组合逻辑电路，依据指令及其执行步骤直接产生控制信号。骤直接产生控制信号。核心部件是操作控制器（微操作产生部件、微操作控制信号形成部件、CU），其输入信号是：ID、时序及程序运行结果状态，用组合逻辑电路产生带有时间标志的微操作控制信号。设计步骤：写出指令的微操作序列后，综合、化简，用电路实现。计算机组成原理天津大学 组合逻辑三级时序
20、组合逻辑三级时序：机器周期（CPU周期、周期）：指令执行的不同阶段 时钟周期（节拍）：一个机器周期又分为若干个时间段（一个CPU周期就是一个节拍也是可以的）工作脉冲：一个节拍内设置脉冲 指令周期：计算机从取、分析到执行完该指令所需的全部时间。一个指令周期包含若干个机器周期，每个机器周期又包含若干个时钟周期，在每个时钟周期又设置脉冲。优点：优点：速度快（RISC、要求高速机器）缺点：缺点：核心部件繁琐、零乱、设计效率低、设计过程麻烦（特别是指令系统庞大），检查调试困难，硬连线固定后很难修改与扩展。例1：设机器A的主频为8MHZ，机器周期含4个时钟周期，且该机的平均指令执行速度是0.4MIPS，试
21、求该机的平均指令周期和机器周期。如果机器B的主频为12MHZ,且机器周期也含4个时钟周期，试问B机的平均指令执行速度为多少MIPS?计算机组成原理天津大学 例2：某 CPU的主频为8MHZ，若已知每个机器周期平均包含4个时钟周期，该机的平均指令执行速度为0.8MIPS，试求该机的平均指令周期以及每个指令周期含几个机器周期？若改用时钟周期为0.4s的CPU芯片，则计算机的平均指令执行速度为多少MIPS？若要得到平均每秒40万次的指令执行速度，则应采用主频为多少的CPU芯片？计算机组成原理天津大学 12(10).下列选项中，能缩短程序执行时间的措施是()1.提高CPU时钟频率 2.优化数据通路结构
22、 3.对程序进行编译优化 A.仅1和2.B.仅1和3 C.仅2和3 D.1,2,3 2.微程序控制器微程序控制器 采用存储器把控制信号存储起来，依据指采用存储器把控制信号存储起来，依据指令的执行步骤读出要用到的控制信号。令的执行步骤读出要用到的控制信号。1）微程序、微指令和微命令）微程序、微指令和微命令 微命令微命令（微操作控制信号）：构成控制信号序列的最小单位。例：考题中的PCout PCin 计算机组成原理天津大学 微指令微指令：一条微指令以二进制编码形式存放在控制存储器的一个单元中，控制各部件完成指令的一个执行步骤应完成的功能。对应于组合逻辑控制器的一个时钟周期完成的微操作。执行一条微指
23、令的时间称为一个微周期，相当于组合逻辑控制器的一个节拍时间。微程序微程序：由微指令组成的程序。每条机器指令的执行过程由多条微指令组成的微程序解释执行，每条微指令对应机器指令的一个操作步骤。解释执行所有指令的全部微程序保存在控制存储器中，控制存储器用ROM芯片实现。计算机组成原理天津大学 2）微指令格式）微指令格式 主要包括两部分 微操作码字段，又称为操作控制（控制命令）字段，提供机器指令的一个执行步骤所需的微命令，以控制各部件执行该步骤的操作。微地址码字段，又称为顺序控制（下地址）字段，用于指定后继微指令地址的形成方式，控制微程序的自动连续执行（微程序设计的难点）。操作控制字段操作控制字段 顺
24、序控制字段顺序控制字段计算机组成原理天津大学 3）微命令的编码方式）微命令的编码方式 微命令编码，是对微指令中的操作控制字段采用的表示方法，即将机器的全部微命令数字化，组合到微指令字中，通常有以下几种方法：直接控制法（不译法）在微指令的操作控制字段中，每一个微命令都用一位信息表示，对应于一种微操作。设计微指令时，选用或不选用某个微命令，只要将表示该微命令的相应位设置成“1”或“0”就可以了。微命令的产生不必经过译码，所需的控制信号直接送到相应的控制点。计算机组成原理天津大学 优点：简单、直观，微命令的并行控制能力强，编制的微程序短，执行速度快。缺点：微指令字长，而且，对如此长的微指令字，在给定
25、的任何一条微指令中，常常只有少数几位置1，造成有效的位空间不能充分利用。字段直接编译法 将微指令的控制字段分为若干个小字段，每个小字段分别统一编码，每种编码代表一种微命令（分段原则）。计算机组成原理天津大学 相斥性微命令分在同一字段内，相容性微命令分在不同字段内。前者可提高信息位的利用率，缩短微指令字长；后者有利于实现并行操作，加快指令的执行速度。计算机组成原理天津大学 字段间接编译法 一个字段的微命令编码要兼由另一字段的编码或某个标志位加以解释，以便用较少的信息位表示更多的微命令，可进一步缩短微指令字长。常数源字段的设置 如同指令中的直接操作数一样，用来提供微程序执行过程中所需要的常数。4）
26、微地址的形成方式）微地址的形成方式 解决微程序的连续执行问题，是微程序设计中要重点解决的问题之一。计算机组成原理天津大学 在计算机中，微程序以编码（微码）形式按给定的微指令地址存放在控制存储器的相应单元中。微程序执行时，只要依次给出各条微指令的地址，就能使微程序连续执行，直至完成为止。因此，要解决微程序的执行顺序控制，关键在于当前微指令执行完毕后，如何确定后续微指令的地址。后续微地址的确定，取决于微程序的基本流程。在微程序设计中充分运用了程序设计技术，因而微程序流程中有顺序执行、转移（条件或无条件），也有微程序分支、微程序循环、微子程序等。计算机组成原理天津大学 根据对微程序流程的分析，执行微
27、程序时，得到下一条将要执行的微指令地址有下面三种情况。由指令寄存器确定（机器指令对应的微程序入口地址）下一顺序地址 转移 微程序入口地址的确定 功能转移（一级、多级），将机器指令操作码映射为其对应的微程序入口地址。计算机组成原理天津大学 后继微指令地址的产生 计数器方式计数器方式（增量方式或顺序执行转移方式）在微程序控制单元中，设置一个微程序计数器PC，在顺序执行微指令时，后继微地址由PC+1产生。遇到转移时，由微指令给出转移微地址，使微程序按新的顺序执行。断定方式（下址字段法）断定方式（下址字段法）当微程序无分支时，后继微指令地址由微指令的下址字段直接给出（设计者指定）。当微程序出现分支时，
28、由微指令字的测试判别字段和状态条件等修改AR的若干位来产生后继微地址，使微程序转移到不同的地方去执行。计算机组成原理天津大学优点优点：硬件设计中引入软件设计方法，采用ROM存储控制信号，容易修改，可扩展性好，系列机的兼容性易于实现，容易实现复杂的指令系统，主要用于CISC中。缺点缺点：速度比较慢 例：微程序控制器为了确定下一条微指令的地址，通常采用断定方式，其基本思想是（）A用PC来产生后继微指令地址B用PC来产生后继微指令地址C通过微指令的下地址字段和判别字段测试产生后继微指令地址 OP测试判别测试判别下址下址计算机组成原理天津大学D通过指令中制定一个专门字段来控制产生硬布线和微程序控制器的
29、比较硬布线和微程序控制器的比较 相同：两个控制器中都有PC、IR；完成相同的控制功能，控制信号基本相同；一条指令的执行都分成若干个步骤完成。不同：控制信号的产生方式，组合逻辑控制器由组合逻辑电路直接给出控制信号；微程序控制器的控制信号是从控存中读出，并经微指令寄存器送到被控部件，前者控制电路复杂、零乱，而后者比较规整。计算机组成原理天津大学 组合逻辑控制时序信号比较复杂（三级时序），微程序控制比较简单（在微周期中设置几个脉冲即可）。组合逻辑设计与实现复杂，微程序设计与实现简单。19(09)、相对于微程序控制器，硬布线控制器的特点是A 指令执行速度慢,指令功能的修改和扩展容易 B指令执行速度慢，
30、指令功能的修改和扩展难C 指令执行速度快,指令功能的修改和扩展容易 D 指令执行速度快，指令功能的修改和 扩展难 计算机组成原理天津大学例1：下面选项中，描述正确的是（）A微程序控制器与硬布线控制器相比，指令执行速度慢B若采用微程序控制方式，则可用PC取代PCC指令周期也称CPU周期D控制存储器必须使用RAM例2：机器指令与微指令之间的关系是（）A用若干条微指令实现一条机器指令B用若干条机器指令实现一条微指令C用一条微指令实现一条机器指令D用一条机器指令实现一条微指令计算机组成原理天津大学例3：下列关于微操作的描述中，不正确的是（）A同一个CPU周期中,相容性微操作可以并行执行B同一个CPU周
31、期中,相斥性微操作可以并行执行C不同CPU周期，相斥性微操作可以串行执行D不同CPU周期，相容性微操作可以串行执行例4：某计算机的数据通路结构如图所示，写出实现下列各条指令的微操作序列。ADD R1，NUM，(R1)(NUM)R1；NUM由指令地址段直接给出。SUB R1，(NUM)，(R1)-(NUM)R1；NUM在指令的下一个单元中。JMP A，A(PC)+D；D由转移指令的地址段给出。计算机组成原理天津大学计算机组成原理天津大学例5：某计算机的数据通路结构如图所示，写出实现ADD(R1)，R2的微操作序列（含取指令及确定后继指令地址，可不考虑节拍划分问题）。计算机组成原理天津大学44(0
32、9).某计算机字长16位，采用16位定长指令字结构，部分数据通路结构如图所示图中所有控制信号为1时表示有效，为0时表示无效，如MDRinE为1表示允许数据从DB打入MDR，MDRin为1表示允许数据从内总线打入MDR，假设MAR的输出一直处于使能状态。加法指令“ADD（R1),R0”的功能为：（R0）（R1）（R1）即将R0的数据与R1的内容所指的存储单元的数据相加，并将结果送入R1的内容所指的存储单元保存。下表给出了上述指令取指和译码阶段每个节拍（时钟周期）的功能和有效控制信号，请按表中描述的方式用表格列出指令执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。时钟 功能有效控制信号C1MAR （PC）P
33、Cout,MARinC2MDR M(MAR)PC （PC）+1MemR,MDRinEPC+1C3IR (MDR)MDRout,IRinC4指令译码无计算机组成原理天津大学计算机组成原理天津大学E 已知某计算机采用微程序控制方式，其控制存储器（CM）容量为102448位，操作控制字段采用直接控制法，顺序控制字段采用断定方式，微程序流程中有分支处共4个。（1）设计该机的微指令格式（2）该机有多少个微命令 某计算机采用微程序控制方式，微指令字长28位，操作控制字段采用字段直接编译法，共有微命令36个，构成5个相斥类，各包括3个、4个、7个、8个和14个微命令，顺序控制字段采用断定方式，微程序流程中有
34、分支处共4个（1）设计该机的微指令格式（2）控制存储器的容量应为多少？计算机组成原理天津大学 某机采用微程序控制器，已知每一条机器指令的执行过程均可分解成8条微指令组成的微程序，该机指令系统采用6位定长操作码格式 1）控存至少应能容纳多少条微指令？2）如何确定机器指令操作码与该指令微程序入口地址的对应关系？给出具体方案。解:1）64 2）微地址9位，可用操作码直接修改微 地址高6位。计算机组成原理天津大学 主存储器主存储器 AC a cb d ALU状态寄存器状态寄存器微操作信微操作信号发生器号发生器+1计算机组成原理天津大学 上图是一个简化的CPU与主存连接结构示意图（图中省略了所有的多路选
35、择器）。其中有一个累加器AC，一个状态寄存器和其它4个寄存器：MAR、MDR、PC和IR，各部件及其之间的连线表示的数据通路，箭头表示信息传送方向。要求：1）请写出图中a、b、c、d四个寄存器的名称 2）简述图中指令从主存取到控制器的过程 3）说明数据从主存取出、运算、写回主存所经过的数据通路（假定数据地址已在MAR中）计算机组成原理天津大学（五）指令流水线（五）指令流水线1指令流水线的基本概念 把指令的执行过程划分为若干个复杂程度相当、处理时间大致相等的子过程，每个子过程由一个独立的功能部件来完成。同一时间多个功能部件同时工作，完成对不同子过程的处理。5个子过程（取指令、指令译码、取操作数、
36、指令执行和结果写回）流水线的时空图。计算机组成原理天津大学 1）流水线的每一阶段完成一条指令的一部分，不同阶段并行完成不同指令的不同部分。多个子过程同时运行，占用不同的资源 2）流水线并不能缩短单条指令的执行时间，但提高了整个系统的吞吐率。当指令连续不断地输入流水线时，在流水线的输出端便连续不断地输出执行结果，从而实现了子过程级的并行性。指令流水线利用了计算机并行处理技术中的时间并行技术，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快指令的执行速度。计算机组成原理天津大学2.线性流水线的性能线性流水线的性能1)吞吐率（TP）:单位时间内流水线所完成的任务数或输出
37、结果的数量 n为指令数，m为执行一条指令的子过程数（又称为流水线段数），t为执行一个子过程需要的时间。2)加速比（SP）:采用流水线后的工作速度与等功能的非流水线工作速度之比tntmnTP)1(nmmtntmtnmTTSCSP)1(1)1(计算机组成原理天津大学3)效率（）:效率是指流水线的设备利用率。例：设有100条指令的程序段经过上图所示的指令流水线执行，请求出完成该程序段的流水时间，流水线的实际吞吐率、加速比和效率（假定 ）。解：流水的总时间 tTmStnmmtnmnPP)1(m段总的时空区个任务占用的时空区nstntmTC10401099105)1(1040100100cPTTnst1
38、0计算机组成原理天津大学非流水时间 18（09）、某计算机指令流水线有四个功能段组成，指令流经各功能段的时间（忽略功能段的缓存时间）分别为90、80、70和60ns，则该计算机的CPU时钟周期至少是 A 90ns B 80ns C 70ns D 60ns例：指令流水线有IF（取指）、ID（译码）EX（执行）、MEM（访存）、WB（写回寄存器）五个过程段，共有7条指令连续输入此流水线。nsTS5000105100510405000CSPTTS%10010401000tTP计算机组成原理天津大学（1）画出流水处理时空图，假设时钟周期100 ns （2）求流水线的实际吞吐率 （3）求流水线处理器的加
39、速比 解：(2)7条指令执行时间 (5+（7-1)100=1100ns 吞吐率=7/1100ns (3)流水处理的时钟周期为5+6=11 非流水处理的时钟周期为57=35 加速比=35/11计算机组成原理天津大学例：在有4个子过程的流水线浮点加法器中，假设每个子过程所需的时间为T1=60ns，T2=50ns，T3=90ns，T4=80ns。1）4级流水线加法器的加速比是多少？2）如果每个子过程的时间都为75ns，加速比又是多少？解：1）加法器流水线的时钟周期至少为 90ns,如果采用同样逻辑电路，但不是流水线 方式,浮点加法所需时间为 60+50+90+80=280ns 所以加速比=280/9
40、0=3.1 2)754/75=4计算机组成原理天津大学3超标量和动态流水线的基本概念 超标量流水线是在CPU内部集成两条或两条以上能够同时工作的指令流水线，以进一步加快流水处理速度。动态流水线指在同一时间段内，多功能流水线各功能段可以按照不同方式进行连接，同时执行多种功能，前提是流水线中各功能部件之间不能发生冲突。4.流水线中的主要问题 要使流水线具有良好的性能，必须使流水线畅通流动，不发生断流。但由于流水过程中会出现以下三种相关冲突，实现流水线的不断 计算机组成原理天津大学流是困难的。所谓相关，是指在一段程序的相近指令之间存在某种依赖关系，这种关系影响指令的并行执行。1）资源相关：同一时间内
41、争用同一个功能部件 2）数据相关：后一条指令必须等前一条指令执行完毕后，才能执行，那么这两条指令就是数据相关的。三类数据相关：写后读(RAW),读后写(WAR)，写后写(WAW)3）控制转移相关：当执行转移类指令进入流水线时，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。计算机组成原理天津大学例：判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。ADD R1,R2,R3;(R2)+(R3)R1 SUB R4,R1,R5;(R1)-(R5)R4 STA M(x),R3;(R3)M(x)ADD R3,R4,R5;(R4)+(R5)R3 MUL R3,R
42、1,R2;(R1)*(R2)R3 ADD R3,R4.R5;(R4)+(R5)R3 RAW WAR WAW例：流水线中造成控制相关的原因是执行（）指令引起。A条件转移 B访内 C算逻 D无条件转移计算机组成原理天津大学例：某处理器具有五段指令流水线：IF（取指令）、ID（指令译码及取操作数）EXE（ALU执行）、MEM（存储器访问）、WB（结果写回）。现由该处理器执行如下的指令序列：SUB R2,R1,R3 ADD R12,R2,R5 OR R13,R6,R2 AND R14,R5,R2 ADD R15,R3,R2 问（1）如果不对这些指令之间的数据相关性进行特殊处理而允许进入流水线，哪些指令将会取到错误的操作数？计算机组成原理天津大学 （2）假定采用将相关指令延迟到所需操作数被写回寄存器时执行的方式解决数据相关问题，那么处理器执行这五条指令需要占用多少时钟周期？（12）19（10）.下列不会引起指令流水阻塞的是()A.数据旁路 B.数据相关 C.条件转移 D.资源冲突
