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1、第五章第五章 中央处理器中央处理器-3 2012年年4月月 主讲：赵力主讲：赵力 5.6 5.6 传统传统CPUCPU 1 1、M6800CPUM6800CPU M6800CPU的逻辑框图的逻辑框图 特点特点 M6800CPUM6800CPU是一种是一种8 8位微处理器位微处理器 典型的单总线结构典型的单总线结构 M6800M6800的的CPUCPU主要包括：主要包括： 8 8位的位的ALUALU，1616位的程序计数器、位的程序计数器、1616位的堆栈指示器和位的堆栈指示器和1616位的变址寄存位的变址寄存 器，两个器，两个8 8位的累加器和一个位的累加器和一个8 8位的状态条件码寄存器，
2、一个位的状态条件码寄存器，一个8 8位的指令位的指令 寄存器以及指令译码与控制部件寄存器以及指令译码与控制部件( (即操作控制器即操作控制器) )。此外还有一个。此外还有一个8 8位的位的 数据缓冲寄存器和一个数据缓冲寄存器和一个1616位的地址缓冲寄存器。位的地址缓冲寄存器。 ALUALU部件执行算术运算和逻辑操作，它们包括逻辑部件执行算术运算和逻辑操作，它们包括逻辑“与与”、 逻辑逻辑“或或”、逻辑、逻辑“异或异或”、求补、比较、加法、减法、十、求补、比较、加法、减法、十 进制调整等。进制调整等。 在在M6800M6800中，主存地址和外设地址是统一编址的，因此，在中，主存地址和外设地址是
3、统一编址的，因此，在 6553665536个地址中有一部分是为外围设备使用的。个地址中有一部分是为外围设备使用的。 2、Intel 8088CPU 特点特点 Intel 8088Intel 8088是一种通用的准是一种通用的准1616位微处理器，其内部结构为位微处理器，其内部结构为1616 位，与外部交换的数据为位，与外部交换的数据为8 8位。它可以处理位。它可以处理1616位数据位数据( (具有具有1616位位 运算指令，包括乘除法指令运算指令，包括乘除法指令) )，也可处理，也可处理8 8位数据。它有位数据。它有2020条地条地 址线，直接寻址能力达到址线，直接寻址能力达到1M1M字节。字
4、节。 CPU CPU 从功能上来说分成总线接口单元从功能上来说分成总线接口单元BIUBIU和执行单元和执行单元EUEU两大两大 部分。部分。 BIUBIU负责与存储器和外围设备接口，即负责与存储器和外围设备接口，即8088 CPU8088 CPU与存储器和与存储器和 外围设备之间的信息传送，都是由外围设备之间的信息传送，都是由BIUBIU进行的。进行的。 EU EU 部分负责指令的执行。取指部分与执行指令部分是独立部分负责指令的执行。取指部分与执行指令部分是独立 并行工作的，在一条指令的执行过程中，可取出下一条并行工作的，在一条指令的执行过程中，可取出下一条( (或多或多 条条) )指令，在指
5、令流队列寄存器中排队。在一条指令执行完以指令，在指令流队列寄存器中排队。在一条指令执行完以 后就可以立即执行下一条指令，减少了后就可以立即执行下一条指令，减少了CPUCPU为取指令而等待的为取指令而等待的 时间，提高了系统的运行速度。时间，提高了系统的运行速度。 3、IBM370系列CPU 特点特点 3232位位CPUCPU ALUALU部件按功能不同分为如下三个子部件：部件按功能不同分为如下三个子部件：(1)(1)定点定点 运算，包括整数计算和有效地址的计算；运算，包括整数计算和有效地址的计算；(2)(2)浮点运浮点运 算；算；(3)(3)可变长运算，包括十进制算术运算和字符串可变长运算，包
6、括十进制算术运算和字符串 操作。操作。 为了存放地址和数据，使用了两组独立的可编址寄为了存放地址和数据，使用了两组独立的可编址寄 存器，存器，1616个通用寄存器用来存放操作数和运算结果，个通用寄存器用来存放操作数和运算结果， 且可用作变址寄存器。且可用作变址寄存器。4 4个浮点寄存器用于浮点运算。个浮点寄存器用于浮点运算。 数据寄存器数据寄存器DRDR、地址寄存器、地址寄存器ARAR、指令寄存器、指令寄存器IRIR是标准是标准 化的。化的。 5.7 5.7 流水流水CPUCPU 5.7.1 5.7.1 并行处理技术并行处理技术 5.7.2 5.7.2 流水流水CPUCPU的结构的结构 5.7
7、.3 5.7.3 流水线中的主要问题流水线中的主要问题 并行性的含义 并行性并行性（ParallelismParallelism）：）： 在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上 性质相同或不相同的工作性质相同或不相同的工作 同时性同时性（SimultaneitySimultaneity）：同一时刻发生的并行）：同一时刻发生的并行 性性 并发性并发性（ConcurrencyConcurrency）：同一个时间间隔内发生）：同一个时间间隔内发生 的并行性的并行性 计算机并行处理技术 时间重叠时间重叠（TimeTime- -interleavin
8、ginterleaving）时间并行时间并行 多个过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件多个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。设备的各个部分。 典型实现方式是典型实现方式是流水处理部件流水处理部件。 资源重复资源重复（ResourceResource- -replicationreplication）空间并行空间并行 通过重复设置资源（尤其是硬件资源），提高性能。通过重复设置资源（尤其是硬件资源），提高性能。 多处理器系统是空间并行技术的典型应用。多处理器系统是空间并行技术的典型应用。 资源共享资源共享（ResourceResource- -sharing
9、sharing） 使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。 流水处理举例 洗衣房的流水作业洗衣房的流水作业 三个阶段：三个阶段： 1. 1. 水洗水洗(30min)(30min) 2. 2. 烘干烘干(40min)(40min) 3. 3. 熨烫熨烫(20min(20min) ) 如果如果A A、B B、C C、D D四个四个 人串行洗衣，共需人串行洗衣，共需 要要 分钟。分钟。 A B C D 6 PM 7 8 9 T a s k O r d e r Time 30 40 40 40 40 20 280 采用流水方式之后，采用流水方式之
10、后，4 4个人共用了个人共用了 分钟。分钟。 原因是每个人的任务在原因是每个人的任务在 上是重叠的。上是重叠的。 210 时间时间 计算机并行性的等级 指令内部并行指令内部并行 指令级并行指令级并行（ILPILP：Instruction Level ParallelInstruction Level Parallel） 任务或线程级并行任务或线程级并行（TLPTLP：Thread Level ParallelThread Level Parallel） 作业或程序级并行作业或程序级并行 系统级并行系统级并行 并 性 等 级 由 低 到 高并 性 等 级 由 低 到 高一条指令内部各个微操作之间
11、一条指令内部各个微操作之间 多条指令的并行执行。多条指令的并行执行。 多个任务或程序段的并行执行多个任务或程序段的并行执行 多个作业或多道程序的并行执行多个作业或多道程序的并行执行 分布式系统、多机系统、机群系统分布式系统、多机系统、机群系统 5.7.2 5.7.2 流水流水CPUCPU的结构的结构 1、流水计算机系统组成、流水计算机系统组成 存储器体系：主存采用存储器体系：主存采用 多体交叉存储器；多体交叉存储器； Cache Cache 流水方式流水方式CPUCPU：指令流水线：指令流水线 指令部件指令部件: : 指令队列：指令队列：FIFO FIFO 执行部件：可以有多个采用流执行部件：
12、可以有多个采用流 水线方式构成的算术逻辑部件水线方式构成的算术逻辑部件 构成，可以将定点运算部件和构成，可以将定点运算部件和 浮点运算部件分开。浮点运算部件分开。 2、流水线的时空图、流水线的时空图 描述流水线的工作，最常用的方法是描述流水线的工作，最常用的方法是时间时间- -空空 间图（时空图）间图（时空图） 横坐标：表示时间，即各个任务在流水线中所经横坐标：表示时间，即各个任务在流水线中所经 过的时间过的时间 纵坐标：表示空间，即流水线的各个子过程，也纵坐标：表示空间，即流水线的各个子过程，也 称为称为级、段、流水线深度级、段、流水线深度(Stage)(Stage) 指令流水线的任务分解指
13、令流水线的任务分解 IFIF（Instruction FetchInstruction Fetch） 取指令阶段取指令阶段 IDID（Instruction DecodeInstruction Decode） 指令译码阶段指令译码阶段 EXEX（ExecuteExecute） 执行运算阶段执行运算阶段 WBWB（Write BackWrite Back） 写回结果阶段写回结果阶段 WBWB 时空图举例 非流水计算机的时空图非流水计算机的时空图 每每4个机器周期个机器周期才有才有一个一个输出结果输出结果 WB I1 I2 EX I1 I2 ID I1 I2 IF I1 I2 1 2 3 4 5
14、6 7 8 时间T 空间 流水计算机的时空图流水计算机的时空图 每个每个机器周期有机器周期有一个一个输出结果输出结果 WB I1 I2 I3 I4 I5 EX I1 I2 I3 I4 I5 ID I1 I2 I3 I4 I5 IF I1 I2 I3 I4 I5 1 2 3 4 5 6 7 8 时间T 空间 流水计算机的时空图流水计算机的时空图 超标量流水线拥有超标量流水线拥有两条指令流水线两条指令流水线， 每个每个机器周期可以输出机器周期可以输出两个两个结果结果 WB I1 I3 I5 I7 I9 I2 I4 I6 I8 I10 EX I1 I3 I5 I7 I9 I2 I4 I6 I8 I1
15、0 ID I1 I3 I5 I7 I9 I2 I4 I6 I8 I10 IF I1 I3 I5 I7 I9 I2 I4 I6 I8 I10 1 2 3 4 5 6 7 8 时间T 空间 3、流水线的分类、流水线的分类 一个计算机系统可以在不同的并行等级上一个计算机系统可以在不同的并行等级上 采用流水线技术：采用流水线技术： 指令流水线指令流水线 一般划分为取指、译码、取操作数、执行、写一般划分为取指、译码、取操作数、执行、写 回等几个并行处理的过程段回等几个并行处理的过程段 算术流水线算术流水线 处理机流水线处理机流水线 流水线的特点总结流水线的特点总结 1.1. 流水线实际上是把一个功能部件分解成多个独立的流水线实际上是把一个功能部件分解成多个独立的 子功能部件子功能部件（一个任务也就分成了几个子任务，每（一个任务也就分成了几个子任务，每 个子任务由一个子功能部件完成），并依靠多个子个子任务由一个子功能部件完成），并依靠多个子 功能部件功能部件并行工作并行工作来缩短所有任务的执行时间来缩短所有任务的执行时间 2.2. 流水线有助于提高整个程序（所有任务）的流水线有助于提高整个程序（所有任务）的吞吐率吞吐率， 但并没有减少每个指令（任务）的执行时间但并
