计算机组成原理第八章
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计算机组成原理(第八章)
机系统中。
综上所述，外围I/O设备的输入/输出方式可归纳为
四种主要方式: (CAI演示)。
各方式的具体实现方法
8.2
程序查询方式的实现
1、设备编址方法 ① 统一编址法
(MOV、LAD)
② 独立编址法 (MOV、LAD / IN、OUT)
2、输入输出指令
I/O指令
单个设备查询程序:
测 试 指 令 转 移 指 令 I/O 指 令
4、与程序查询方式相比，中断方式的硬件结构相对复 杂一些，服务过程也要繁琐一些。
中断处理过程
教材P241 中断响应与中 断服务过程 公操作
输入输出系统
关于中断的几点注释：
(1) 尽管外界中断请求是随机的，但CPU只有在当前
一条指令执行完毕后，即转入“公操作”时，才 会受理设备的中断请求， 以保证当前指令的执 行过程不受到干扰。
8.1.2
信息交换方式
输入输出系统
在计算机系统中，CPU对I/O设备管理与信息交换 的实现，主要有以下几种方式： 1、程序查询方式
2、程序中断方式
3、直接内存访问（DMA）方式
4、通道方式（IOP方式）
5、外围处理机方式 （教材P236 以 小朋友吃糖果为 例）
输入输出系统
1、程序查询方式
这是一种简单交换方式。数据在CPU和I/O设备之 间的传送过程，完全由CPU通过I/O指令来控制。 此方式的主要优点是：CPU的操作和外围设备的
已知，不同种类的I/O设备，各自信息传输速率相 差非常悬殊。
高速工作的主机
？
不同工作速度的I/O设备
如何有效相连接？如何保证主机与I/O设备在时间上同步?
—— 必须首先解决主机与I/O设备的定时问题。
计算机组成原理课件 8
8.2.1
各种指令周期的比较
取指周期 指令周期
取指周期
执行周期
指令周期
NOP ADD mem
取指周期
执行…周期 指令周期
MUL mem
8.2.1
具有间址周期的指令周期
➢ 当遇到间接寻址的指令时，由于指令字中只给出 操作数有效地址的地址，因此，为了取出操作数 ，需先访问一次存储器，取出有效地址，然后再 访问存储器，取出操作数。
➢ 因此，无法用统一的数据流图表示。
8.2.2
中断周期的数据流
CPU进入中断周期要完成一系列操作，这一操作
的数据流如下图所示：
CPU
地数 控 址据 制 总总 总 线线 线
PC
MAR
CU
存储器
MDR
8.3 指令流水
➢ 提高整机的处理能力可以从 两方面入手: （1）提高器件的性能 （2）改进系统的结构，开发系统的并行性
➢ 当采用中断方式实现主 机与I/O交换信息时， CPU在每条指令执行 阶段结束前，要发中断 查询信号，检测是否有 某个I/O提出中断请求 。
➢ 如果有请求，CPU则 要进入中断响应阶段， 又称中断周期。在这阶 段，CPU必须将程序 断点保存到存储器中。
是 有间址吗？
否
间址周期
执行周期
有中断吗？ 是
8.1.4 控制单元CU和中断系统
➢ 控制单元CU是提供完成机器全部指令操作的微 操作命令序列部件。
➢ 现代计算机中微操作命令序列的形成方法有两种： ✓一种是组合逻辑设计方法，为硬联线逻辑； ✓另一种是微程序设计方法，为存储逻辑。
➢ 中断系统主要用于处理计算机的各种中断。
8.2 指令周期
➢ 8.2.1 指令周期的基本概念 ➢ 8.2.2 指令周期的数据流
计算机组成原理第8章
采用 多个处理部件
指令序列
IF ID EX WR
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
时钟周期
六、流水线结构
1. 指令流水线结构
完成一条指令分 7 段， 每段需一个时钟周期
指 令 译 码 部 件 锁
存
8.3
取 指 令 部 件 锁
存
地 取 址 操 形 作 成 数 部 部 件 锁 件 锁
存
存
操 作 执 行 部 件 锁
(n-1) Δt
例 假设指令流水线分取指(IF)、译码(ID)、 执行(EX)、回写(WR)四个阶段，共有10条 指令连续输入此流水线。
1）画出指令周期流程。 IF->ID->EX->WR 2）画出非流水线时空图。
S空间
空间
8.3
I1
I2
WR EX ID IF
1 1 2
Байду номын сангаас
2
1
1 1 2 3 4 2 5
3. 控制相关
由转移指令引起
LDA
LDX M ADD INX CPX BNE DIV STA #N M #N ANS
8.3
统计表明转移指令约占总指令1/4左右
#0
#0 X, D
BNE 指令必须等
CPX 指令的结果
才能判断出 是转移 还是顺序执行
设 指令3 是转移指令
t
1
指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7 FI
过程级（程序、进程） 指令级（指令之间） （指令内部）
粗粒度 细粒度
软件实现 硬件实现
指令序列
IF ID EX WR
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
时钟周期
六、流水线结构
1. 指令流水线结构
完成一条指令分 7 段， 每段需一个时钟周期
指 令 译 码 部 件 锁
存
8.3
取 指 令 部 件 锁
存
地 取 址 操 形 作 成 数 部 部 件 锁 件 锁
存
存
操 作 执 行 部 件 锁
(n-1) Δt
例 假设指令流水线分取指(IF)、译码(ID)、 执行(EX)、回写(WR)四个阶段，共有10条 指令连续输入此流水线。
1）画出指令周期流程。 IF->ID->EX->WR 2）画出非流水线时空图。
S空间
空间
8.3
I1
I2
WR EX ID IF
1 1 2
Байду номын сангаас
2
1
1 1 2 3 4 2 5
3. 控制相关
由转移指令引起
LDA
LDX M ADD INX CPX BNE DIV STA #N M #N ANS
8.3
统计表明转移指令约占总指令1/4左右
#0
#0 X, D
BNE 指令必须等
CPX 指令的结果
才能判断出 是转移 还是顺序执行
设 指令3 是转移指令
t
1
指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7 FI
过程级（程序、进程） 指令级（指令之间） （指令内部）
粗粒度 细粒度
软件实现 硬件实现
计算机组成原理八章
每一个磁盘驱动器与每一主机接口有独立的控制和数据通道
的磁盘阵列，因此主机可完全独立地对每个磁盘驱动器进行 访问。 RAID 10级(RAID 0级+RAID 1级) 在磁盘阵列的技术上,从RAID 1到RAID 5,不停机，即表示在 工作时如发生磁盘故障系统能持续工作而不停顿,仍然可作磁 盘的存取,正常的读写数据;而容错则表示即使磁盘故障,数据 仍能保持完整,可让系统存取到正确的数据,而SCSI的磁盘阵 列更可在工 作中抽换磁盘,并可自动重建故障磁盘的数据。 磁盘阵列之所以能做到容错及不停机, 是因为它有冗余的磁 盘空间可资利用,这也就是Redundant的意义。
(D：记录密度；V：介质的速度)
读出时，出错信息位数和读出总信息量位数之比。 5、误码率：
6、价格： 位价格：设备价格除以容量。
7/12/2013
2
二、磁记录原理与记录方式
磁记录原理： 磁头： 记录介质：
后间隙 磁力线
写入线圈 Iw
读出线圈 e
局部磁化
工作间隙 局部磁化单元 v
v
7/12/2013
位密度：单位长度磁道所能记录二进制信息的位数。 面密度：道密度与位密度的乘积。
2、存储容量： 磁表面存储器所能存储的二进制信息总量。 格式化容量：按某种特定的记录格式所能存储的信息总量。 非格式化容量：磁表面可以利用的磁化单元总数。 1
7/12/2013
3、寻址时间： 磁头寻找目标磁道所需的时间。 找道时间Ts： 找到磁道后，磁头等待所需要读写区段旋转到磁头下方 等待时间Tw： 需用的时间。 平均寻址时间Ta ：由平均找道时间加上平均等待时间组成。 Ta ＝ Tsa ＋Twa＝ (Tsamax ＋ Tsamin)/2 ＋ (Twamax ＋Twamin )/2 4、数据传输率Dr：单位时间内向主机传送数据的位数或字节数。 Dr ＝D· V
计算机组成原理课件第8章
光笔不能输入纸上的图形信息，而图形板方式很容 易做到；
光笔和持笔的手能挡住图形，而且由于屏幕玻璃的 厚度，光的折射作用和人眼与光笔的视角等影响，常 使画出的图形偏离预想的位置，而图形板无此问题， 而且长时间使用光笔，悬空的手臂会感到疲劳。
鼠标器、跟踪球和操作杆输入
• 光笔和图形板两种输入方式都可以输入绝对坐标， 即只要把光笔点到屏幕上某点或者把游动标放到图 形板的某一点，就可以读取这一点的坐标值。
• 图形板和画笔结合构成二维坐标的输入系统，主要 用于输入工程图等。
• 将图纸贴在图形板上，画笔沿着图纸上的图形移动， 读取图形坐标，即可输入工程图。
• 为了提高读图精度，常用游动标(cursor)代替画笔 与图形板配合使用。
• 游动标是一个手持的方形坐标读出器，游动标上有 一块透明玻璃，玻璃上刻有十字标记。十字标记的 中心就是游动标的中心。使用时将十字中心对准图 形的坐标点上，它比画笔读取的坐标更精确。
• (3) LCD预映显示器： LCD易于对物体进行取景， 预映屏幕允许重放或即时删除图像，删除图像后可 恢复存储容量。
• (4) 图像质量，取决于以下因素：
• ① 一般数字相机依赖于电荷耦合设备(CCD)获取图 像。
• ② 图像的压缩。
• (5) 如果计划让图像在电视上出现，或被盒式磁带 录像机直接录取，有些品牌的相机可自动生成视频 信号。
• 因此条码技术主要包括： 条码编码规则及标准、 条码译码技术、印刷技术、光电扫描技术、通信技 术、计算机技术等。
• 要阅读条码符号所包含的信息需要一个扫描装置。 在正常工作时，扫描器与条码符号之间要保持的距 离称为工作距离，而允许的最大工作距离和最小工 作距离之差称为扫描景深。
• 还有一类坐标输入设备，只能用来输入相对坐标。 鼠标器、跟踪球和操作杆就属于这一种。它们必须 和显示器的光标配合。
光笔和持笔的手能挡住图形，而且由于屏幕玻璃的 厚度，光的折射作用和人眼与光笔的视角等影响，常 使画出的图形偏离预想的位置，而图形板无此问题， 而且长时间使用光笔，悬空的手臂会感到疲劳。
鼠标器、跟踪球和操作杆输入
• 光笔和图形板两种输入方式都可以输入绝对坐标， 即只要把光笔点到屏幕上某点或者把游动标放到图 形板的某一点，就可以读取这一点的坐标值。
• 图形板和画笔结合构成二维坐标的输入系统，主要 用于输入工程图等。
• 将图纸贴在图形板上，画笔沿着图纸上的图形移动， 读取图形坐标，即可输入工程图。
• 为了提高读图精度，常用游动标(cursor)代替画笔 与图形板配合使用。
• 游动标是一个手持的方形坐标读出器，游动标上有 一块透明玻璃，玻璃上刻有十字标记。十字标记的 中心就是游动标的中心。使用时将十字中心对准图 形的坐标点上，它比画笔读取的坐标更精确。
• (3) LCD预映显示器： LCD易于对物体进行取景， 预映屏幕允许重放或即时删除图像，删除图像后可 恢复存储容量。
• (4) 图像质量，取决于以下因素：
• ① 一般数字相机依赖于电荷耦合设备(CCD)获取图 像。
• ② 图像的压缩。
• (5) 如果计划让图像在电视上出现，或被盒式磁带 录像机直接录取，有些品牌的相机可自动生成视频 信号。
• 因此条码技术主要包括： 条码编码规则及标准、 条码译码技术、印刷技术、光电扫描技术、通信技 术、计算机技术等。
• 要阅读条码符号所包含的信息需要一个扫描装置。 在正常工作时，扫描器与条码符号之间要保持的距 离称为工作距离，而允许的最大工作距离和最小工 作距离之差称为扫描景深。
• 还有一类坐标输入设备，只能用来输入相对坐标。 鼠标器、跟踪球和操作杆就属于这一种。它们必须 和显示器的光标配合。
8计算机组成原理(第八章)
第八章 输入输出系统
计算机硬件可细分为运算器、掌握器、存储器，输入设备和输 出设备，又可粗略地分为“CPU、存储器、输入输出设备”三 局部。这三局部之间的连接方式和信息交换方式关系到计算机 根本功能的实现，是计算机输入输出系统所要解决的主要问题。
计算机的输入输出系统简称为I/O系统。一个计算机系统的综 合力量、可扩展性、兼容性和性能价格比，都与I/O系统有亲 密的关系。I/O系统是计算机系统中最具有多样性和简单性的 局部。
地的I/O指令，使用访存指令就能实现I/O操作。
特点：CPU访问外设更敏捷便利，但使内存容量减小；进展I/O操
作时，执行速度比较慢。PDP-11承受统一编址方式。
26
4、接口的分类
• 按数据传输的格式，可分为串行接口、并行接口。 • 串行接口是指在主机和接口一侧并行传送信息、接口和外设则一侧串
行传送信息。一般而言，串行接口速度慢，但传输线数少，适用于传 输距离较远的场合、以及本身串行工作的设备。
5
2、总线分类
从不同的角度动身，总线有不同的分类方法。按计算机系统的层次 构造，总线分可为： CPU内部总线：CPU内部连接各存放器和运算部件之间的互联线。由 于CPU的集成化，这组总线从外部是看不见的。 系统总线：连接计算机系统各功能部件，如CPU、存储器、I/O接口之 间的总线。系统总线是可见的。 外总线：计算机之间、计算机与其它设备之间的连接线称为外总线。 在很多状况下，这些连线不是计算机专用的，主要用于其它设备上。 总线按时序掌握方式可分为同步总线、异步总线、准同步总线；按 数据传送格式可分为串行总线、并行总线。这里不再争论。
1
本章的主要内容
主要内容： 总线技术 主机与外设的连接 程序查询方式 中断系统和程序中断方式 DMA方式及其接口 通道掌握方式
计算机硬件可细分为运算器、掌握器、存储器，输入设备和输 出设备，又可粗略地分为“CPU、存储器、输入输出设备”三 局部。这三局部之间的连接方式和信息交换方式关系到计算机 根本功能的实现，是计算机输入输出系统所要解决的主要问题。
计算机的输入输出系统简称为I/O系统。一个计算机系统的综 合力量、可扩展性、兼容性和性能价格比，都与I/O系统有亲 密的关系。I/O系统是计算机系统中最具有多样性和简单性的 局部。
地的I/O指令，使用访存指令就能实现I/O操作。
特点：CPU访问外设更敏捷便利，但使内存容量减小；进展I/O操
作时，执行速度比较慢。PDP-11承受统一编址方式。
26
4、接口的分类
• 按数据传输的格式，可分为串行接口、并行接口。 • 串行接口是指在主机和接口一侧并行传送信息、接口和外设则一侧串
行传送信息。一般而言，串行接口速度慢，但传输线数少，适用于传 输距离较远的场合、以及本身串行工作的设备。
5
2、总线分类
从不同的角度动身，总线有不同的分类方法。按计算机系统的层次 构造，总线分可为： CPU内部总线：CPU内部连接各存放器和运算部件之间的互联线。由 于CPU的集成化，这组总线从外部是看不见的。 系统总线：连接计算机系统各功能部件，如CPU、存储器、I/O接口之 间的总线。系统总线是可见的。 外总线：计算机之间、计算机与其它设备之间的连接线称为外总线。 在很多状况下，这些连线不是计算机专用的，主要用于其它设备上。 总线按时序掌握方式可分为同步总线、异步总线、准同步总线；按 数据传送格式可分为串行总线、并行总线。这里不再争论。
1
本章的主要内容
主要内容： 总线技术 主机与外设的连接 程序查询方式 中断系统和程序中断方式 DMA方式及其接口 通道掌握方式
《计算机组成原理》教学课件 第八章
磁盘存储设备
主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑如图所示。
第32页
磁盘存储设备
磁盘上的信息经读磁头读出以后，送读放大器，然后 进行数据与时钟的分离，再进行串/并转换、格式变换，最
后送入数据缓冲器，经DMA（直接存储器访问）控制将
数据传送到主机总线。
第33页
磁盘存储设备
数字磁记录方式 03
所谓记录方式，是指以写入电流波形的不同方式记录数字信 息0和1，即按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁
形像梳子，故又称为梳状读写臂。在音圈电机带动下，小滑架
可前后平行地移动位置，以便磁头沿径向移动而找到目的磁道。 当盘面作高速旋转时，依靠盘面的高速气流所产生的气动浮力使 得磁头略微离开盘面，形成微小气隙，类似浮动式磁头。
磁盘存储设备
第30页
（3） 传动机构包括主轴（心轴）和皮带轮，小电动机通过皮带，带动皮带轮高速旋转，皮
A/D）转换器、话筒）等。
第11页
外围设备概述
第12页
（2）输出设备
同样是十分重要的人机接口，它的功能是用来输出人们所需要的计算机的处理结果。输出
的形式，可以是文字、数字、字母、表格、图形、图像等。最常用的输出设备是各种 类型的显示器、打印机和绘图仪等。
外围设备概述
（3）外存储器设备
简称“外存”，外存储器用来存储大量的暂时不参 加运算或处理的数据和程序，因而允许速度较慢。一
带轮又通过主轴带动磁盘组作高速旋转运动。
磁盘存储设备
第31页
磁盘控制器 02
磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口。由于磁盘存储器是高速外存设备，故与主机 之间采用成批交换数据方式。作为主机与驱动器之间的控制器，它需要有两个方向的接口：
《计算机组成原理》8-输入输出系统
允许中断３
INTA &
&
&
允许中断４ &
&
&
&
1
1
1
1
INTR1
INTR2
INTR3
（ b） 串 行 优 先 链 中 断 排 队 线 路
INTR4
&
至下一级
≥1
INT
程序中断方式
2、中断的处理过程
✓ 软件排队的基本做法是：当CPU访问到 INT0
中
有中断请求时，则保留好中断断点后立
断 服
即进入软件排队程序的入口。从最高优
✓ 中断排队的实现 可以用硬件排队或软件排队两种方法来实现
➢ 硬件排队方式 硬件排队的基本特点是，优先级别高的中断源提出中 断请求后，就自动封锁优先级别较低的中断源的中断请求
➢ 软件排队方式 软件排队是通过编写查询程序实现的。
程序中断方式
2、中断的处理过程
➢ 硬排队方式 I N T R0
INTR1 1
程序直接控制方式
2、条件传送方式
✓ 通过程序查询接口中的状态来控制数据传送的方式，也被称为程序查询 方式。
✓ 程序查询方式中，在执行一次有效的数据传送操作之前，必须对外部设 备的状态进行查询，如果外部设备准备就绪，才能执行数据传送操作。
程序直接控制方式
2、条件传送方式
检查状态标记
N 准备就绪？ Y 执行数据传送
I/O接口
1、接口的概念
✓ 介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路称为I/O接口电路，简称I/O接口
（Interface）
✓ 对于主机，I/O接口提供了外部设备的工作状态及数据；对于外部设备，I/O
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3. 影响指令流水效率加倍的因素
(1) 执行时间 > 取指时间 取指令 部件 指令部件 缓冲区 执行指令 部件
8.3
(2) 条件转移指令 对指令流水的影响 必须等 上条 指令执行结束，才能确定 下条 指令的地址
造成时间损失
猜测法
解决办法 ？
4. 指令的六级流水
t 1
指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 FI
第八章 CPU 的结构和功能
8.1 CPU 的结构
8.2 指令周期 8.3 指令流水 8.4 中断系统
8.1 CPU 的结构
一、 CPU 的功能
1. 控制器的功能
取指令
分析指令 执行指令，发出各种操作命令 控制程序输入及结果的输出 总线管理 处理异常情况和特殊请求 2. 运算器的功能 实现算术运算和逻辑运算
8.3
6 7 8 9 10 11 12 13 14
2
DI FI
3
CO DI FI
4
FO CO DI FI
5
EI WO FO EI WO CO DI FO EI WO EI WO CO FO
指令 5
指令 6 指令 7 指令 8
FI
DI
FI
CO
DI FI
FO
DI FI
EI
CO DI
WO
EI FO CO WO EI WO FO EI WO
1
INT
二、 指令周期的数据流
1. 取指周期数据流
地 址 总 线 数 据 总 线 控 制 总 线
8.2
CPU
PC
MAR 存储器 CU
+1 IR
MDR
2. 间址周期数据流
地 址 总 线 数 据 总 线 控 制 总 线
8.2
CPU
PC
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
8.1
操作控制
时间控制 数据加工 处理中断
CPU
ALU
中断 系统
寄存器
控 制 总 线 数 据 总 线 地 址 总 线
CU
CPU的基本组成
（1）中央处理器CPU=运算器+控制器 （2）运算器 – ALU – 累加器 – 暂存器
（3）控制器 控制器组成：程序计数器、指令寄存器、数据缓冲器、地 址寄存器、通用寄存器、状态寄存器、时序发生器、指令译 码器、总线（数据通路） 程序计数器PC(Programming Counter) 用来存放正在执行的指令的地址或接着将要执行的下一 条指令的地址。 顺序执行时，每执行一条指令，PC的值应加1 要改变程序执行顺序的情况时，一般由转移类指令将转 移目标地址送往PC ，可实现程序的转移。
⑤ OC送出控制信号，将DR中的数据10打入到目标寄存器R0，R0的内容由 ③ OC送出控制信号，打开ALU输出三态门，将ALU输出送到数据总线DBUS上。 ① 操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作源寄存器， ② OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作； 00变为10。至此，MOV指令执行结束。 注意，任何时候DBUS上只能有一个数据。 ④ OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）； 5.2.2MOV指令的指令周期-执行 选择R0作目标寄存器；
– 机器周期通常又称CPU周期，
通常把一条指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期完 成一个基本操作。 主存的工作周期(存取周期)为基础来规定CPU周期，比如，可以 用CPU读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期 不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。 一个机器周期中，包含若干个机器周期（节拍脉冲或T脉冲）。
2DIBiblioteka FI3CO DI FI
4
FO CO DI FI
5
6
7
8
EI WO FO EI WO CO FO EI WO DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO FI DI CO FO EI WO
2 LDA 4 # 0 5 3
7
8
9
10
11
12 13
14
LDX
指令 2
指令 3 指令 4 指令 5 指令 6 指令 7
#0
CO
BNE 指令必须等
EI
M
DI
FI
ADD
DI
CO FO
X, D
FO
EI
WO CPX
指令的结果
INX DI CO FO EI WO FI 才能判断出 DI CO FO CPX FI # N
– 时钟周期 在一个机器周期内，要完成若干个微操作。这些 微操作有的可以同时执行，有的需要按先后次序 串行执行。因而需要把一个机器周期分为若干个 相等的时间段，每一个时间段称为一个节拍。节 拍常用具有一定宽度的电位信号表示，称之为节 拍电位。 节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的 时间，如：ALU完成一次正确的运算，寄存器间 的一次数据传送等。
2. 每条指令的指令周期不同
取指周期 指令周期
8.2
NOP
取指周期
执行阶段
指令周期
ADD mem
取指周期
执行周期 指令周期
MUL mem
3. 具有间接寻址的指令周期
取指周期
间址周期 指令周期
8.2
执行周期
4. 带有中断周期的指令周期
取指周期 间址周期 执行周期 中断周期
指令周期
5. 指令周期流程
(2) 状态寄存器
状态寄存器 PSW 寄存器 存放条件码 存放程序状态字
3. 举例
Z8000
8086
MC 68000
四、 控制单元 CU 和中断系统
8.1
1. CU 产生全部指令的微操作命令序列
组合逻辑设计 微程序设计 硬连线逻辑
参见 第四篇
存储逻辑
参见 8.4
参见 第六章
2. 中断系统
五、ALU
软件实现 硬件实现
并行性（Parrelism）概念
问题中具有可以同时进行运算或操作的特性 例：在相同时延的条件下，用n位运算器进行n 位并行运算速度几乎是一位运算器进行n位串行 运算的n倍（狭义）
（广义）含义
– 只要在同一时刻（同时性）或在同一时间
间隔内（并发性）完成两种或两种以上性 质相同或不同的工作，他们在时间上相互 重叠，都体现了并行性
LAD指令的指令周期
取指周期 执行周期
LAD指令的指令周期
ADD指令的指令周期
ADD指令的指令周期
8.3 指 令 流 水
一、如何提高机器速度
1. 提高访存速度
高速芯片 Cache 多体并行
2. 提高 I/O 和主机之间的传送速度 中断 DMA 通道 多总线 I/O 处理机
3. 提高运算器速度
指令控制
操作控制
时间控制
处理中断
数据加工
– 指令控制（程序的顺序控制） – 操作控制（一条指令有若干操作信号实现） – 时间控制（指令各个操作实施时间的定时） – 数据加工（算术运算和逻辑运算）
二、CPU 结构框图
1. CPU 与系统总线
指令控制 PC IR CU 时序电路 ALU 寄存器 中断系统
取指周期 是 间址周期
8.2
有间址吗？ 否 执行周期
有中断吗？ 否
是
中断周期
6. CPU 工作周期的标志
CPU 访存有 4 种性质
取 指令
取 地址 取 操作数 存 程序断点 FE
D CLK
8.2
取指周期
间址周期 执行周期 中断周期 IND
D
CPU 的 4个工作周期
EX
D
INT
D
1
FE
1
IND
1
EX
三、指令流水原理
1. 指令的串行执行
取指令 1 执行指令 1 取指令 2 执行指令 2
8.3
取指令 3 执行指令 3 …
取指令 执行指令
取指令部件
完成
总有一个部件 空闲
执行指令部件 完成
2. 指令的二级流水
取指令 1 执行指令 1
取指令 2 执行指令 2
取指令 3 执行指令 3
指令预取 若 取指 和 执行 阶段时间上 完全重叠 指令周期 减半 速度提高 1 倍
BNE
DIV STA
M FI
#N ANS
DI FI
CO DI FI
是转移 还是顺序执行
FI DI
FI
指令15
指令16
CO
DI
FO
CO
EI
FO
WO
EI WO
转移损失
(2) 数据相关
会出现 数据相关
如： ADD R1，R2
8.3
几条相近的指令间，共用 同一存储单元 或 同一寄存器 时，
高速芯片 改进算法 快速进位链
• 提高整机处理能力
高速器件 改进系统结构 ，开发系统的并行性
二、系统的并行性
1. 并行的概念
8.3
并发 两个或两个以上事件在 同一时间段 发生
并行
同时 两个或两个以上事件在 同一时刻 发生 时间上互相重叠 2. 并行性的等级
过程级（程序、进程） 指令级（指令之间）
粗粒度 细粒度
8.2
4 . 中断周期数据流
CPU 地 址 总 线 数 据 总 线 控 制 总 线
PC