中央處理器與指令系統(tǒng).ppt

第四章中央處理器與指令系統(tǒng),本章要點CPU的內(nèi)部組成及控制器的實現(xiàn)方法。8086/8088微處理器的結構，Pentium和Pentium4CPU的特點及采用的新技術。指令系統(tǒng)中指令格式及指令功能的分類，指令的尋址方式。精簡指令系統(tǒng)的特點。,中央處理器（CPU）是計算機系統(tǒng)的核心部件。它控制程序的執(zhí)行，完成數(shù)據(jù)的處理和輸入輸出設備的控制，具有以下基本功能：,（1）對指令譯碼、寄存并執(zhí)行。（2）算術運算和邏輯運算。（3）暫存少量的數(shù)據(jù)。（4）在存儲器、輸入/輸出接口之間傳送數(shù)據(jù)。（5）響應輸入/輸出設備的中斷請求。（6）為系統(tǒng)提供定時和控制信號。,CPU的組成包括運算器、寄存器、控制器、時鐘電路，（某些CPU中還包括一定容量的ROM、RAM存儲器），見下圖：,4.1.1運算器,運算器是加工處理數(shù)據(jù)的功能部件。運算器主要由下列部件組成：算術邏輯單元（ALU）完成二進制信息的定點算術運算、邏輯運算、移位操作通用寄存器和狀態(tài)標志寄存器存放數(shù)據(jù)，運算的中間、最后結果，各種狀態(tài)標志有的CPU中包含浮點處理單元算術邏輯單元和通用寄存器的位數(shù)決定了CPU的字長。,4.1.2寄存器組（Register）,寄存器：是CPU中的重要組成部分，是CPU內(nèi)部的臨時存儲單元。存放內(nèi)容：數(shù)據(jù)、地址、控制信息、CPU的工作狀態(tài)信息。寄存器增加可以提高CPU運行速度。分類：數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器、標志狀態(tài)寄存器、控制寄存器和一些其它作用的寄存器。但總體可分為通用寄存器和專用寄存器兩大類。,一、通用寄存器組,在運算中存儲數(shù)據(jù)與地址Intel8086/8088(16位)機有：AX,BX,CX,DX,BP,SP,SI,DIIntel80486(32位)機有：EAX,EBX,ECX,EDXEBP,ESP,ESI,EDI,IntelPentiumCPU有以下8個32位的通用寄存器,EAX：累加器，存放算術和邏輯運算的操作數(shù)。EBX：基址寄存器，可以暫存數(shù)據(jù)，也可以在訪問內(nèi)存時存放基地址。ECX：計數(shù)寄存器，在循環(huán)和字符串操作指令中存放循環(huán)次數(shù)。EDX：數(shù)據(jù)寄存器，暫存數(shù)據(jù)。ESP：堆棧指針寄存器，每執(zhí)行一次進?；虺鰲２僮骱?，SP就自動增減，使堆棧指針寄存器的內(nèi)容始終指向內(nèi)存堆棧區(qū)的棧頂?shù)刂?。EBP：基址指針寄存器，可以暫存數(shù)據(jù)，也可以在訪問內(nèi)存時存放基地址。ESI：源變址指針寄存器，在字符串操作指令中存放源操作數(shù)的內(nèi)存地址。EDI：目標變址指針寄存器，在字符串操作指令中存放目標操作數(shù)的內(nèi)存地址。,二、專用寄存器保存系統(tǒng)運行必需的重要數(shù)據(jù)。,標志寄存器（FlagRegister）用于存放ALU工作時產(chǎn)生的狀態(tài)信息。,進位標志位,奇偶標志位,輔助進位位,零標志位,結果符號位,單步標志位,中斷允許位,方向標志位,溢出標志位,每一位單獨使用，稱為標志位。狀態(tài)標志：反映了ALU當前的工作狀態(tài)，可作為條件轉移指令的轉移條件；控制標志：用于控制CPU的某種操作。下圖給出了8086的標志寄存器的標志位信息。,注：可通過看書上的圖進一步理解CPU標志寄存器的發(fā)展演化和每個標志位的作用。,指令寄存器IR（InstructionRegister）用于存放將要執(zhí)行的指令。指令指針寄存器IP，又稱指令計數(shù)器。用于產(chǎn)生和存放下條待取指令的地址。堆棧指針寄存器SP指示堆棧棧頂?shù)牡刂?。變址寄存器變址尋址中存放基礎地址的寄存器,其它的專用寄存器,3.段寄存器,現(xiàn)在的計算機內(nèi)存容量比較大，可以采用分段管理，就是把內(nèi)存的存儲空間分成段，例如將64KB存儲空間分為一段，以段為單位為用戶分配存儲空間。存儲單元的地址是由它所在邏輯段的段基地址和段內(nèi)偏移地址兩部分組成，段寄存器就是存放段基地址的。如IntelPentiumCPU有6個32位的段寄存器：CS代碼段寄存器。存放當前執(zhí)行程序所在的代碼段基地址，與指令指針I(yè)P一起指向下一條要取出指令的物理地址。DS數(shù)據(jù)段寄存器。用來存放數(shù)據(jù)段基地址和基址寄存器BX一起指向要訪問的內(nèi)存單元地址。SS堆棧段寄存器。是在存儲器中開辟的一個特殊存儲區(qū)域，堆棧操作遵循先進后出的原則。SS存放的堆棧段基地址可以和堆棧指針SP一起指向棧頂?shù)刂罚部梢院突分羔楤P一起指向要訪問的內(nèi)存單元地址。ES、FS、GS都稱為附加段寄存器。,一、控制器的功能和組成,1、基本功能：取指令、指令譯碼、執(zhí)行指令。,2、組成：一般由指令指針寄存器IP、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、控制邏輯電路和時鐘控制電路等組成。,控制器是指揮與控制整臺計算機各功能部件協(xié)同工作、自動執(zhí)行計算機程序的部件。,4.1.3控制器,時鐘控制電路由時鐘脈沖發(fā)生器(石英晶體振蕩器)和啟?？刂齐娐方M成。1、石英晶體振蕩器產(chǎn)生一定頻率的時鐘脈沖信號，作為整個機器的時間基準源。2、主頻稱為主機振蕩頻率，它的高低取決于這臺計算機的CPU的適應能力。3、時鐘周期：主頻的倒數(shù),表示相鄰脈沖的時間間隔。4、指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時間。5、機器周期：將指令周期劃分成幾個時間段，每個階段稱為一個機器周期。一般：時鐘周期機器周期指令周期,二、時鐘控制電路為每條指令按時間順序執(zhí)行提供基準信號。,控制邏輯電路：用來管理執(zhí)行每條指令時所產(chǎn)生的一系列基本動作，指揮各部件協(xié)同動作完成指令規(guī)定的功能。微程序控制固化軟件的微程序控制方法優(yōu)：充分利用當前系統(tǒng)的硬件，指令修改調(diào)試方便。缺：每條指令由多條微指令實現(xiàn)，多次訪問控制存儲器，緩慢、費時。復雜指令系統(tǒng)計算機（CISC）多用。硬布線控制邏輯硬件控制指令執(zhí)行的方法優(yōu)：速度快缺：不容易修改和擴展精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）采用。,三、控制邏輯電路的實現(xiàn)微程序控制和硬布線邏輯,1、馮諾依曼型計算機工作原理按順序依序逐條、串行執(zhí)行指令。例如：加法指令執(zhí)行過程：,取指1譯碼1取數(shù)1運算1存數(shù)1取指2譯碼2取數(shù)2運算2存數(shù)2.,2、流水線思想的提出：把程序中的多條指令在時間上重疊起來執(zhí)行，能否顯著提高機器速度呢？,特點：控制簡單，速度低，機器各部件利用率低。,4.1.4流水線工作原理,3、指令的重疊執(zhí)行流水線工作原理,五條指令重疊執(zhí)行情況：1T2T3T4T5T機器執(zhí)行時間取指1譯碼1取數(shù)1運算1存數(shù)1取指2譯碼2取數(shù)2運算2存數(shù)2取指3譯碼3取數(shù)3運算3存數(shù)3取指4譯碼4取數(shù)4運算4存數(shù)4取指5譯碼5取數(shù)5運算5存數(shù)5可見，若將一條指令的執(zhí)行時間分為五段,每段所用時間為T，則一條指令執(zhí)行時間為5T。系統(tǒng)工作正常后每隔T時間就得到一條指令的處理結果。平均速度提高了4倍。這種工作方式稱為流水線處理。優(yōu)點：流水線把取指與執(zhí)行分開，使取指與執(zhí)行同時進行，減少了取指等待時間，大大提高了CPU的利用率。同時降低了對與之匹配的存儲器的存取速度要求。問題：可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)相關現(xiàn)象；頻繁執(zhí)行條件轉移指令或中斷指令會影響機器速度。,當遇到條件轉移指令時，確定轉移與否的條件碼往往是由條件轉移指令的條件來決定下條指令的地址，因此當條件轉移指令進入流水線后直到確定下一地址以前，流水線不能繼續(xù)處理后面的指令而處于等待狀態(tài)，因而影響流水線效率。在某些計算機中，采用“猜測法”解決此問題，即計算機先選定轉移分支中一種情況取指令處理。假如條件碼生成后說明猜測是正確的，則繼續(xù)執(zhí)行下去。假如猜錯了，則要返回程序的分支點，重新執(zhí)行正確的分支程序。猜測過程如圖4-4所示。,4、處理條件轉移的方法,一種是“不精確斷點法”，即對于中斷請求后的后續(xù)指令不允許再進入流水線，已在流水線中的所有指令仍然執(zhí)行完畢，然后才轉入中斷處理程序；另一種方法是當前大部分流水線計算機采用的“精確斷點法”，即當?shù)趇條指令不論在流水線的哪一個階段發(fā)出中斷請求，中斷處理程序的現(xiàn)場對應的都是第i條指令的，在第i條之后進入流水線的指令的原有現(xiàn)場都能恢復。“精確斷點法”需要采用很多的后援寄存器，以保證流水線內(nèi)的各條指令的原有狀態(tài)的保存和恢復。,5、處理中斷的方法,當IO設備有中斷請求或計算機有故障時，要求中止當前程序的執(zhí)行而轉入中斷處理程序，但是在流水線中往往還存在幾條正在處理的指令，那么就有一個如何斷流的問題。流水線計算機處理中斷的方法有兩種：,4.2.18086微處理器,Intel公司1978年研制成功時鐘頻率：4.7MHz10MHz2.9萬個晶體管、91種指令由EU執(zhí)行單元和BIU總線接口單元組成20位地址總線,尋址能力220=1048576=1(MB)16位數(shù)據(jù)總線4個16位通用寄存器：AX,BX,CX,DX,5個16位地址指針寄存器：IP,BP,SP,SI,DI4個16位段基址寄存器：CS,DS,SS,ES1個16位標志寄存器：FR,4.2Intel80X86微處理器,一、8088微處理器的內(nèi)部結構,8086/8088CPU對可尋址的1MB空間劃分為很多個邏輯段，每個邏輯段小于64KB，段內(nèi)地址是連續(xù)的。1、段基址CS指示當前的代碼段；DS指示當前的數(shù)據(jù)段；SS指示當前的堆棧段；ES指示當前的附加段。2、邏輯地址對存儲器的任一位置的訪問都是在該位置所在的段基址下進行的。邏輯地址形式為：段基址：段內(nèi)位移例如，位于數(shù)據(jù)段DS=2000H，偏移地址為109AH的存儲單元的邏輯地址為：2000:109A,二、存儲器的分段結構,3、物理地址,4、堆棧堆棧是由若干個連續(xù)的存儲單元組成的先進后出（FILO）存儲區(qū)，常用堆棧指針寄存器SP指示棧頂位置。數(shù)據(jù)進棧時SP-2，出棧時SP+2。堆棧主要用于保護現(xiàn)場，保護斷點。,物理地址=（段基址）16+（段內(nèi)偏移）如存儲單元2000:109A對應的物理地址為：20000H+109AH=2109AH,CPU完成一次對存儲器或I/O端口訪問所需要的時間8086/8088一個基本總線周期由4個時鐘周期組成，習慣上稱4個T狀態(tài).分別為T1，T2，T3，T4狀態(tài)。T1狀態(tài),CPU往多路復用總線上發(fā)地址信息；T2狀態(tài),CPU從總線上撤銷地址，總線的高4位輸出本總線周期的狀態(tài)信息，低16位高阻態(tài)；T3狀態(tài),多路總線的高4位繼續(xù)提供狀態(tài)信息，低16位傳輸數(shù)據(jù)；TW狀態(tài),等待狀態(tài)，總線上信息與T3狀態(tài)信息相同，此狀態(tài)為配合CPU和外設數(shù)據(jù)傳輸，外設通過READY線發(fā)“數(shù)據(jù)未準備好”，CPU則在T3狀態(tài)后插入TW狀態(tài)，外設通過READY線發(fā)“準備好”，CPU則脫離TW狀態(tài)，進入T4狀態(tài)；T4狀態(tài),總線周期結束。,三、8086/8088的總線周期,（1）字長：是計算機一次可以處理的二進制數(shù)的最大位數(shù)，單位bit。實際上它取決于CPU內(nèi)部算術邏輯單元、通用寄存器和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。（2）主頻：也稱時鐘頻率，是CPU的工作頻率，單位MHz。主頻越高，指令的執(zhí)行速度越快，但是CPU的運算速度不僅與主頻有關，還與流水線等有關。（3）外頻：是CPU與外部器件通信的系統(tǒng)總線（也稱前端總線，F(xiàn)ront-SideBus，簡寫FSB）的工作頻率，單位MHz。由于CPU外部器件的速度低于CPU的速度，系統(tǒng)總線的速度就低于CPU的速度，因此外頻與主頻的關系是：主頻=外頻倍頻，其中倍頻系數(shù)指外頻與主頻的比例關系。（4）數(shù)據(jù)最大帶寬：是數(shù)據(jù)的最大傳輸速率，即每秒鐘傳送的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，單位MB/s。數(shù)據(jù)最大帶寬(MB/s)=總線頻率(MHz)數(shù)據(jù)寬度(bit)8該公式中的數(shù)據(jù)寬度指的是能夠同時傳輸?shù)亩M制數(shù)的位數(shù)。例如，當CPU的總線頻率400MHz、外部數(shù)據(jù)總線64位，則CPU系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)最大帶寬=400MHz64bit8bit=3200MB/s3.2GB/s（5）高速緩存：是為解決內(nèi)存與CPU的數(shù)據(jù)傳送速度差距，IntelX86系列微處理器從80486開始在CPU與內(nèi)存之間插設一個容量不大速度卻很快的高速緩存（也稱為Cache），它先于內(nèi)存與CPU交換數(shù)據(jù)。,CPU的有關性能指標,4.4指令系統(tǒng)和尋址方式,本節(jié)要點1了解指令的格式與分類。2了解指令的尋址方式。3.了解CISC與RISC的主要特點。,指令：命令計算機直接進行某種基本操作的二進制代碼串，也叫機器語言代碼。指令系統(tǒng)：一臺計算機能直接理解與執(zhí)行的全部指令的集合稱為該機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是進行計算機邏輯設計和編制程序的基本依據(jù)。它直接說明了這臺計算機的功能。不同類型CPU的指令系統(tǒng)是不能混用與兼容的，但同一系列的CPU一般升級后指令都有擴充，并可兼容。目標程序：為解決某一實際問題而編制的有序的指令集合。它們一般是由語言處理程序轉換得到的，而并非是直接編寫出來的。語言處理程序：即匯編、編譯或解釋等程序。它們把BASIC等高級語言程序通過一定方式轉換為目標程序。,指令系統(tǒng)名詞解釋：,4.4.1指令的結構典型的指令格式，一般由兩部分組成：操作碼和操作數(shù)的地址碼：,操作碼OP指明操作性質(zhì)的命令碼，提供指令的操作控制信息。操作對象A說明操作數(shù)存放的地址，有時則就是操作數(shù)本身。,4.4.1指令的結構及其分類,一個指令系統(tǒng)常有幾十、幾百條指令（Intel8086具有133條指令），但按功能可以劃分為如下幾大類：1、數(shù)據(jù)傳送指令用以實現(xiàn)給寄存器或存儲單元賦值，寄存器與寄存器之間、寄存器與內(nèi)存單元之間等的數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)能夠從源地址被傳送到目的地址，而源地址中數(shù)據(jù)不變拷貝。,例：MOVAX，5MOVEAX，12345678HMOVDS,AX,4.4.2指令的分類,算術運算指令：一般包括定點、浮點的加、減、乘、除運算。根據(jù)運算結果改變標志寄存器的狀態(tài)位。助記符：ADD，ADC，SUB，SBB，INC，DEC，DIV，MUL，CMP,邏輯運算：一般包括邏輯與，邏輯或，邏輯非，邏輯異或等運算，是以二進制為單位按位進行運算。OR，AND，XOR，NOT等,2、算術與邏輯運算指令,算術移位：左移時空位補0而符號位進標志位，右移時空位復制符號位，而移出位進標志位。邏輯移位：整體移位，空位補0，移出位進標志位。循環(huán)移位：有不帶進位循環(huán)和帶進位循環(huán)。前者循環(huán)后的移出位進標志位，后者與標志位一起循環(huán)。,3、移位指令,無條件轉移指令：強迫CPU運行程序地址轉移至新地址開始執(zhí)行程序。有條件轉移指令：根據(jù)當前運算的結果進行邏輯判斷，符合判斷條件則轉移到指令表明的新地址處執(zhí)行程序，否則繼續(xù)按原順序執(zhí)行原來的程序。,5、調(diào)用指令和返回指令,調(diào)用指令實現(xiàn)從一個程序轉去執(zhí)行子程序的操作；返回指令則使CPU結束執(zhí)行子程序而返回執(zhí)行原程序。,4、轉移指令,堆棧是由若干個連續(xù)的存儲單元組成的先進后出（FILO）存儲區(qū)，第一個送入堆棧中的數(shù)據(jù)存放棧底，新送入堆棧的數(shù)據(jù)存放在棧頂。棧底是固定不變的，而棧頂卻是隨數(shù)據(jù)的入棧和出棧在不斷變化。在計算機中常用一個專用寄存器即堆棧指針SP（StackPoint）來指示棧頂位置。堆棧主要用來暫存中斷、子程序調(diào)用時現(xiàn)場數(shù)據(jù)及程序返回地址，還有選擇地保護某些寄存器的內(nèi)容。用于堆棧訪問的指令只有進棧（PUSH）和出棧（POP）兩種。一般計算機中堆棧是從高地址向低地址擴展（也有少數(shù)計算機剛好相反），棧底的地址總是大于或等于棧頂?shù)刂贰．攬?zhí)行進棧操作時首先自動將棧頂指針SP減量，然后把數(shù)據(jù)送入SP所指定的單元；當執(zhí)行出棧操作時，首先將SP所指定的單元的數(shù)據(jù)取出，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的大小自動對SP增量。,6、堆棧操作指令,輸入/輸出指令的功能是完成中央處理器和外部設備之間的數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)由外設傳送到中央處理器稱為輸入(Input)數(shù)據(jù)由中央處理器傳送給外設稱為輸出(Output)有的計算機采用存儲器與I/O端口統(tǒng)一編址，所以不需要專用的I/O指令。,7.輸入/輸出指令,由于某些指令使用不當會破壞系統(tǒng)或其他用戶信息，因此為了安全起見，這類指令只能用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，而不提供給用戶使用，稱為特權指令。在多任務多用戶系統(tǒng)中，特權指令主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理，限制用戶的使用和訪問權限，防止系統(tǒng)資源或其他用戶程序遭受破壞。另外還有其他一些指令，如向量運算指令、多處理指令和控制指令等?？傊?，計算機種類繁多，指令系統(tǒng)也不盡相同，指令助記符和指令功能、數(shù)目也有差別。要想使用某種計算機的指令編程就要參考其指令系統(tǒng)手冊。,8.特權指令,需要說明的是：計算機種類不同其指令系統(tǒng)包括數(shù)量與功能有所不同，用其編程時務必參照相應的指令系統(tǒng)手冊。,尋址方式：指令中如何提供操作數(shù)或操作數(shù)地址。,不同類型計算機的尋址方式有所差別，但大多可以歸結為立即尋址、直接尋址、間接尋址、變址尋址以及相對尋址等幾種尋址方式，或者這幾種方式的組合與變形。,4.4.3指令的尋址方式,指令的地址碼部分就是指令的操作數(shù)。優(yōu)點：取指同時取得操作數(shù)，提高指令的運行速度。缺點：操作數(shù)的長度受指令長度的影響，且不便修改。適合操作數(shù)固定的情況。例：MOVAX，1AH的結果：（AX）1AH,一、立即尋址,指令的地址碼部分給出的就是操作數(shù)在存儲器中的地址。,存儲器,OPA,操作數(shù)0110H,特點：簡單直觀，便于硬件實現(xiàn)，但操作數(shù)地址是指令的一部分，只能用于訪問固定的存儲器單元。,例：MOVAX，0110H,二、直接尋址,在指令的地址碼部分給出某一寄存器的名稱，而所需的操作數(shù)就在這個寄存器中。特點：數(shù)據(jù)傳送快，計算機中多用。,例：MOVAX，BXBX為源操作數(shù)地址，AX為目的操作數(shù)地址，操作的結果為將BX中的數(shù)據(jù)傳送（拷貝）到AX中。,三、寄存器尋址,在指令的地址碼部分直接給出的是操作數(shù)在寄存器中的地址。,存儲器,OPRn,A:,操作數(shù),Rn:,A,優(yōu)點：改變寄存器Rn中的內(nèi)容就可訪問內(nèi)存的不同地址。修改十分方便。缺點：二次尋址速度慢。例：MOVAX，BX,四、寄存器間接尋址,操作數(shù)的有效地址是：一個變址寄存器的內(nèi)容加上偏移量。,五、變址尋址方式,例：8086的變址寄存器為SI和DI。MOVAX，SI+100H;(AX)(SI)+100H),例：MOVAX,BP+SI+6;(AX)(BP)+(SI)+6),操作數(shù)的有效地址是：基址寄存器、變址寄存器和偏移量三者相加產(chǎn)生。,六、基址變址尋址,基址變址尋址：面向系統(tǒng)，解決程序的存儲定位問題；變址尋址：面向用戶，用以訪問字串和數(shù)組。,有效地址，是指令中地址碼部分給出的形式地址(偏移量Disp)與程序計數(shù)器PC的內(nèi)容之和。即有效地址是以當前PC的內(nèi)容為基準浮動的，浮動的距離就是偏移量。偏移量可正可負，通常用補碼表示。相對尋址方式主要應用于相對轉移指令。由于目的地址隨PC變化不固定，所以非常適用于浮動程序的裝配與運行。,七、相對尋址,一、RISC由來計算機的不斷升級擴充，同時又兼容過去產(chǎn)品使指令系統(tǒng)日趨復雜，形成了“復雜指令系統(tǒng)計算機(CISC)”。復雜指令系統(tǒng)增加硬件復雜性，降低機器運行速度。經(jīng)實際分析發(fā)現(xiàn)：1、各種指令使用頻率相差懸殊。80%指令使用很少。2、指令系統(tǒng)的復雜性帶來系統(tǒng)結構的復雜性，增加了設計時間和售價，也增加了VLSI設計負擔，不利于微機向高檔機器發(fā)展。3、復雜指令操作復雜、運行速度慢。由此提出“精簡指令系統(tǒng)計算機(RISC)”的概念。,4.4.4精簡指令系統(tǒng)計算機(RISC)簡介,RISC不是簡單地簡化指令系統(tǒng)，而是通過簡化指令使計算機的結構更加簡單合理，從而提高運算速度。1、僅選使用頻率高的一些簡單指令和很有用但不復雜的指令。2、指令長度固定，指令格式少，尋址方式少。3、只有取數(shù)、存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令都在寄存器中進行，即限制內(nèi)存訪問。4、CPU中通用寄存器數(shù)量相當多。5、大部分指令都在一個機器周期內(nèi)完成。6、采用流水線組織。7、以硬布線邏輯為主，不用或少用微程序控制。8、特別重視編譯工作，以簡單有效的方式支持高級語言，減少程序執(zhí)行時間。,二、RISC的特點,