纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(1)-CPU子系统-概述

※本章主要介绍：功能部件部件之间的数据通路CPU的基本结构CPU的设计方法第3章CPU子系统模型机处理器(CISC)MIPS32处理器(RISC)1/24CPU3.1CPU概述主存硬盘光盘键盘显示器※CPU在计算机中的角色主机外围设备CPU是计算机中的核心部件①数据运算功能结构最复杂、技术难度最高！②系统控制功能2/24①时序系统②控制部件③缓存部件④寄存器(堆)⑤运算部件3.1.1CPU的基本结构部件通过数据/控制通路互连，实现信息交互运算器寄存器控制器数据通路主存时序部件外部信号时钟信号※主要部件：1、总体结构模型缓存部件控制通路数据信号控制信号3/24(1)运算部件(2)缓存部件(3)寄存器(4)控制器(5)时序部件2、CPU的主要部件从硬件的角度，CPU内部的主要部件包括：通过数据通路/控制通路互相连接各种功能部件，分别通过数据通路/控制通路互相连接形成CPU的硬件架构→CPU的微架构4/24(1)运算部件输入逻辑A输出逻辑输入逻辑B数据源操作数运算结果对操作数进行运算，主要是算术运算/逻辑运算基本组成如下：5/24ALU(2)缓存部件为提高CPU从主存中读取指令/数据的效率，在CPU内部集成了多级缓存部件。[作用]缓存从主存中读取的部分指令/数据CPU内核L1L2L3主存6/24L1、L2和L3就是缓存部件程序的执行具有局部性提前把需要的指令数据调入缓存(3)寄存器组(堆)①通用寄存器：多个存储各种用途的数据信息。基本类型如下：通用寄存器有全局唯一地址，可通过地址码访问，可在机器指令中直接使用。[功能]提供操作数、地址码、存放运算结果等。[部件选用]一般用小容量的多端口存储器来构成寄存器组，其中1个存储单元作为1个寄存器。7/24②暂存器[特征]多个，内部专用，无需分配地址码，不能在机器指令中使用。[主要用途]用来暂存产生的临时数据，以备在后续操作过程中使用。③指令寄存器（IR）[主要用途]只有1个，用于存放指令代码。从存储器(或者指令缓存)中读取到指令以后，就直接存入到指令寄存器中。8/24④程序计数器（PC）[主要用途]仅1个，用来指明指令在存储器中的存放位置，即存储单元的地址码。00FFPC00FF[注意]取指令结束后，PC保存的地址码自动修改，以指向下一条指令的存储单元，修改量取决于指令字长和存储器的编址单位。指令1指令2…指令存储器…IR9/24⑤程序状态字寄存器（PSW）[主要用途]仅1个，记录现行程序的运行状态和程序的工作模式。PSW-特征位也叫标志位，反映CPU的当前状态。指令执行时，根据情况自动设置这些特征位，作为后续操作的判断依据，通常有5类:进位C溢出V零值Z负值N奇偶P…自动设置(具备该特征，就设置该标志位=1)10/24PSW-编程设定位PSW中某些位或字段可通过程序来设定，以决定程序的调试、对中断的响应、程序的运行模式等。跟踪位T允许中断I程序优先级P运行模式⑥地址寄存器（MAR）[主要用途]只有1个，读写存储器时，先要定位存储单元，因此设置MAR来存放目标单元的地址码。先将有效地址送入MAR，再启动后续的读写操作。11/24⑦数据缓冲寄存器（MBR）[主要用途]只有1个，过渡性地存放CPU与主存之间交换的数据。无论是从主存读取的数据，还是写入到主存的数据，都要经过MBR。[主要用途]堆栈(存储器)数据1数据0…数据n数据n-100FFSP栈顶栈底弹出12/24仅1个，固定存放堆栈的栈顶单元的地址码。根据这个地址码，去读写堆栈。⑧堆栈指针（SP）4、控制器[主要作用]根据产生微命令的方式，有两类控制单元：根据指令、时钟信号、外部信号等信息，产生各种控制信号(微命令)，以便控制各种功能部件协同工作，完成指令的功能。控制单元指令代码时序信号状态信号各种控制信号①组合逻辑控制器②微程序控制器组合逻辑硬件电路→控制信号微程序译码→控制信号13/245、时序部件[定义]周期、节拍、脉冲等频率型信号序列。产生时序信号的部件称为时序发生器或时序系统，由1个低频振荡器和倍频逻辑组成。①时序信号低频震荡器倍频逻辑CPU时钟周期信号机器周期信号指令周期信号低频信号振荡器：它是一个低频脉冲源，能输出固定频率的基准脉冲信号(外频)，作为系统时钟信号。14/24系统时钟信号经过倍频放大以后，产生执行指令所需要的各种时序信号：①节拍信号，即CPU时钟周期信号；②工作周期信号，即机器周期信号；③指令周期信号。T时钟周期机器周期指令周期取指令取源操作数其它执行指令的时间机器周期包括若干(≥1)时钟周期。指令周期包括若干(≥2)机器周期。15/243.1.2CPU的工作原理1、主要功能处理指令-控制指令的执行顺序；执行操作-产生控制信号控制部件工作；控制时间-控制各步操作的时序；数据运算-算术和逻辑运算；2、执行指令的流程读取指令-从存储器中读取；指令译码-通过控制器进行、产生控制信号；指令执行-寻址、取数、运算；后续工作-保存结果、响应外部请求等；16/243、部件的控制方式CPU是计算机内部技术最复杂的子系统：如何控制这些部件协同工作，完成指令功能？①同步控制方式；②异步控制方式；→部件众多→架构复杂→功能多样17/24时钟信号T1T3T2T4地址数据发出地址写入R※同步控制方式的特点√每步操作都向统一的外部时序信号对齐；√各步操作之间无交互。[举例]发出地址、送出数据与写入R的协同18/24三个操作靠外部时钟信号的驱动来实现协同！t4t1写入Rt2※异步控制方式的特点√每步操作都不需向统一的外部时序信号对齐；√各步操作之间通过交互应答来实现协同发出地址送出数据撤消数据(高阻)[举例]发地址信号、送出数据与写入R的协同19/24t3撤消地址信号三个操作靠相互之间的控制信号来实现协同3.1.3外部连接与I/O控制任务1、外部连接类型CPU北桥芯片组CPUCPUPCH芯片组主存视频PCI-E主存视频主存视频PCI-E√单处理机系统：通过前端总线与北桥芯片组连接；√多处理机系统：高性能CPU中集成了主存、视频和PCI-E接口，CPU之间通过QPI、与芯片组之间通过DMI总线互连。FSBQPIDMI20/242、在I/O控制中的任务主机与外设之间进行数据输入/输出操作时，在不同的I/O控制模式下，CPU承担的任务各不相同：主机←接口→外围设备①程序传送模式：④IOP和PPU模式：CPU直接执行I/O指令②中断模式：CPU执行中断服务程序③DMA模式：CPU管理DMA控制器、善后处理；CPU组织I/O程序，管理IOP与PPU，以及善后处理；21/243.1.4CPU发展历程1、1946-19702、1971-19733、1974-19774、1978-1984[技术特点]电子管和晶体管CPU阶段，体积大、功耗高、集成度低、运算速度慢。[技术特点]中小规模集成电路，4位或8位微处理器。←非微处理器→CPU进入单核微处理器时代[技术特点]8位中高档微处理器成为主流，1百万级IPS。[技术特点]16位微处理器,3um工艺，约2百万级IPS。22/247、2003-20045、1985-1992[技术特点]32位微处理器，2um工艺，指令周期约0.16us，开始集成协处理器，采用流水线，千万级IPS。[技术特点]64位单核处理器，0.13um，晶体管的集成度上亿，主频高达2.0GHz。[典型代表]Intel80486；6、1993-2002[技术特点]32位微处理器，集成度更高、工艺1um，指令更丰富、功能更强，IPS突破1亿。[典型代表]Intel32位奔腾系列处理器；[典型代表]Intel64位奔腾4处理器；23/24※国内的情况：2002，龙芯1(32位/MIPSIII/7级流水/266MHz)2005，龙芯2(64位/0.18um/1GHz),≈P42009，龙芯3A(4核/65nm/1GHz),飞腾1000(8核64线程)2012，龙芯3B-1500(8核/28nm/1.5GHz)2013，飞腾1500(16核/SPARCV9/40nm/1.8GHz)[技术特点]64位、多核、多线程处理器为主。8、2005-现在低于100nm级的工艺制程。[典型代表]AMDAthlon64X2、IntelPentiumEE；Intel酷睿i3/i5/i7/i8系列处理器；24/24国内外差距很大、任重道远！