[408计算机组成原理] 第五章 中央处理器 5.5 指令流水线（一）

一、前言

①CPU第一节

学习了CPU整体的宏观上的结构（CU+ALU），以及了解其要实现的功能：指令控制（取指令、分析指令、执行指令）、操作控制、时间控制、数据加工、中断相应；进步一部了解了CU和ALU的工作过程，CU：取址：指令由PC加1自动的完成取址操，指令的分析：PC的内容送入IR，IR将操作码部分送入指令译码器，指令译码的结果送入微操作信号发生器 ，同时时序控制信号和状态信号也同时送入微操作信号发生器，在这些控制信号的控制下，微操作信号发生器发出相应的控制信号（PCout，PCin，MDRin，MDRout等），执行指令：在操作信号的控制下，指令开始按着顺序执行；（CU中所需要用到的寄存器：PC、MAR、MDR、IR）；ALU：实现数据的加工，其所要用到的寄存器有（通用寄存器组、PSW保存运算后的标志位、ACC、移位寄存器、暂存寄存器）

②CPU第二节

了解了指令的执行过程，指令周期，机器周期，时钟周期的基本概念，应当能够理解出这几个概念上的区别，进一步探究了指令在每个不同的指令周期其数据的流向。

③CPU的第三节

进一步探究CPU内部的数据如何流向，数据通路的功能和结构；在第二节探究的数据流向是一个笼统的流向，对于取址周期，研究其数据流向只给出其PC被传入地址总线，总线将数据运送至MAR，根据MAR取出数据，通过数据总线将指令取到IR，这是一个笼统的数据流向的过程，在第三节研究的数据流向，是PC的数据是如何结合控制信号一步一步传向MAR的；PC要将地址送给MAR，首先由控制器发出PCout的信号以及MARin的信号，PC的内容才会被送入MAR。在第三节研究的数据通路是更微观方面的，即了解了寄存器和寄存器之间的数据通路、寄存器和主存之间的数据通路、寄存器和ALU之间等之间的是如何通过一系列的控制信号实现这些数据通路的；实现这些数据通路的结构有CPU内部总线型、专用数据通路型，CPU内部多总线型。

④CPU的第四节

进一步探究控制信号的实现，在第三节我们说控制信号控制着数据通路，而控制信号是由CU来发出的，这一节就是研究CU是如何发出相应的控制信号，从而实现数据通路，实现指令的执行的。CU的实现有两种方式硬布线型、微程序控制方式。

硬布线型：由硬件直接实现控制信号的发出，研究好每一个微操作的执行周期，严格控制每个微操做的执行顺序，即由时序（CLK+执行周期）、操作码的译码结果（即是哪种指令信号）、状态标记（PSW等） 三者的严格控制，通过三者的逻辑表达式设计对应的硬件电路，从而实现微操作的有序进行，即实现微操作信号有序的被微操作信号发生器发出。

微程序控制方式：先了解几个概念，一条指令的执行要使用多个机器周期，每个机器周期内每个节拍都要执行不同的微操作，每个节拍可能并行执行多个微操作，一个节拍内的要执行的微操做合称为微指令，所有微指令组成一个微程序，即每一个微程序都对应着一个指令，所以采用存储微程序的思想，将每一条指令对应的微程序存储在CU中的控存（CM） 中，当前要执行的指令在IR中，IR将操作码部分送入微地址形成部件找到该条指令对应的微程序，微程序地址找到后是不可以直接被送入CM中的CMAR的，需要先送入时序控制电路，同时一些标识信号和CLK信号也要送入时序控制电路，时序控制电路在所有条件满足的情况下才将地址码部分送入CM中的CMAR，从而将微程序的起始地址取出放置在CMDR中；微指令由微操作控制字段和下地址字段组成，微操作控制字段产生相应的控制信号（PCout，PCin等），下地址字段指明下一个微指令地址。

微指令操作控制字段编码方式有直接编码方式，其中每一位都标识一个微命令的控制信号，即每一个控制信号对应一个微命令。微命令有多少种类型，就得有多少位，会造成微指令字长会特别长。微指令的下一个地址如何得到的五种方法，硬件直接存储，操作码译码结果，CMAR自动加1，下地址字段给出、类似于跳转指令直接给出。

最后对比了两种方法：从适用（RSIC CPU，CSIC CPU），思想（逻辑电路，存储微程序），速度（快，慢），扩充性（难，容易）

⑤CPU第五节

接下去是进一步研究如何让CPU执行指令更快-----指令流水线的方式，指令流水的实现，CPU指令流水性能的评价指标（加速比，吞吐量），指令流水实现种可能会遇见的问题：结构冲突：同一个流水线阶段使用了同一个部件，类似于操作系统种的互斥问题，解决方法：停止等待或增加硬件部件（Cache指令和数据分离）；数据冲突：下一条可能要用到的数据来自于前一条指令的执行结果，解决方法：延迟相关指令或转化（旁路）技术或编译优化指令