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计算机组成原理重点难点剖析
第８章 CPU 的结构和功能
重点
1.CPU 的功能和硬件组成
2. CPU 工作周期和指令周期的概念
3. 一个完整的指令周期中的信息流程
指令周期的数据流
1. 取指周期数据流
地
址
总
线
CPU
PC
数
据
总
线
控
制
总
线
MAR
存储器
+1
IR
CU
MDR
2. 间址周期数据流
地
址
总
线
CPU
PC
数
据
总
线
控
制
总
线
MAR
存储器
CU
IR
MDR
3. 执行周期数据流
不同指令的执行周期数据流不同
4 . 中断周期数据流
地
址
总
线
CPU
PC
数
据
总
线
控
制
总
线
MAR
存储器
CU
MDR
第８章 CPU 的结构和功能
重点
1.CPU 的功能和硬件组成
2. CPU 工作周期和指令周期的概念
3. 一个完整的指令周期中的信息流程
4. 如何提高控制器的处理能力 指令流水
5. 中断系统需要解决的问题及实施方案
中断系统需解决的问题
(1) 各中断源 如何 向 CPU 提出请求 ？
(2) 各中断源 同时 提出 请求 怎么办 ？
(3) CPU 什么 条件、什么 时间、以什么 方式
响应中断 ？
(4) 如何 保护现场 ？
(5) 如何 寻找入口地址 ？
(6) 如何 恢复现场，如何 返回 ？
(7) 处理中断的过程中又 出现新的中断 怎么办 ？
硬件 ＋ 软件
第８章 CPU 的结构和功能
难点
1.影响指令流水线性能的因素
影响流水线性能的因素
结构相关
流水线中不同指令争用同
一功能部件产生资源冲突
数据相关
流水线中各条指令因重叠操作
而改变对操作数的读写顺序
RAW WAR WAW
控制相关
由转移指令引起
1. 结构相关
两条指令同时访存造成结构相关冲突
时钟周期
指令
LOAD指令
指令i+1
指令i+2
指令i+3
指令i+4
1
2
3
4
5
6
7
8
IF
ID
EX
MEM
WB
IF
ID
EX
MEM
WB
IF
ID
EX
MEM
WB
IF
ID
EX
MEM
WB
IF
ID
EX
MEM
1. 结构相关
解决访存冲突的一种方案
时钟周期
指令
LOAD指令
指令i+1
指令i+2
指令i+3
指令i+4
1
2
3
4
5
6
7
8
IF
ID
EX
MEM
WB
IF
ID
EX
MEM
WB
IF
ID
EX
MEM
WB
停顿
IF
ID
EX
MEM
IF
ID
EX
9
WB
MEM
2. 数据相关
不同指令因重叠操作，可能改变操作数的 读/写 访问顺序
例如流水线要执行下列指令序列
ADD
R1，R2，R3
；(R2) + (R3) → R1
SUB
R4，R1，R5
；(R1) ― (R5) → R4
AND
R6，R1，R7
；(R1) AND (R7) → R6
OR
R8，R1，R9
；(R1) OR (R9) → R8
XOR R10，R1，R11
；(R1) XOR (R11) → R10
2. 数据相关
对数据相关进行特殊处理的流水线
指令
时钟周期
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ADD IF ID EX MEM WB
SUB
AND
OR
XOR
IF
ID EX MEM
IF
ID
IF
IF
WB
EX
MEM
WB
ID
EX
MEM
ID
EX
WB
MEM WB
3. 控制相关
由转移指令引起
M
LDA
#0
LDX
#0
BNE 指令必须等
ADD
X, D
CPX 指令的结果
INX
才能判断出
CPX
#N
BNE
M
是转移
DIV
#N
还是顺序执行
STA
ANS
3. 控制相关
设 指令3 是转移指令
t
指令 1
指令 2
指令 3
指令 4
指令 5
指令 6
指令 7
指令15
指令16
1
2
FI
DI
FI
3
4
5
6
7
CO FO
EI
WO
DI
CO
FO
EI
WO
FI
DI
CO
FO
EI
FI
DI
CO
FO
FI
DI
CO
FI
DI
8
9
10
11
12 13
DI
CO
FO
EI
WO
FI
DI
CO
FO
EI
14
WO
FI
FI
转移损失
WO
第８章 CPU 的结构和功能
难点
1.影响指令流水线性能的因素
2.掌握各种中断技术，实现多重中断需配置哪些硬件
3. 响应优先级和处理优先级的区别
响应优先级
不可改变
处理优先级
可改变（通过重新设置屏蔽字）
中断源
A
B
C
D
原屏蔽字
新屏蔽字
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
0
0
1
响应优先级 A→B→C→D 降序排列
处理优先级 A→D→C→B 降序排列
屏蔽技术可改变处理优先等级
服务程序
D程序
C程序
B程序
A程序
主程序
A处理完
A、B、C、D
同时请求中断
B处理完
D处理完
C处理完
原屏蔽字
A 1111
B 0111
C 0011
D 0001
CPU 执行程序轨迹（原屏蔽字）
t
屏蔽技术可改变 处理 优先等级
服务程序
D程序
C程序
B程序
A程序
主程序
新屏蔽字
A 1111
B 0100
C 0110
D 0111
A处理完
A、B、C、D
同时请求中断
D处理完
C处理完
B处理完
CPU 执行程序轨迹（新屏蔽字）
新屏蔽字设在中断服务程序中
t
第８章 CPU 的结构和功能
难点
1.影响指令流水线性能的因素
2.掌握各种中断技术，实现多重中断需配置哪些硬件
3. 响应优先级和处理优先级的区别
4.超标量、超流水、超长指令字的特点
超标量、超流水、超长指令字的特点
超标量：一个时钟周期内有多个功能部件同时
执行多条指令
超流水：同一个功能部件在一个时钟周期内被
使用多次
超长指令字：把多条能并行操作的指令组合成
一条具有多个操作码字段的超长
指令，有多个功能部件同时工作