第五章——中央处理器(2)

一、 时序产生器和控制方式

1.时序信号的作用和体制

1)作用：

CPU中的控制器用它指挥机器的工作

CPU可以用时序信号/周期信息来辨认从内存中取出的是指令(取指)还是数据(执行)

一个CPU周期中时钟脉冲对CPU的动作有严格的约束操作控制器发出的各种信号是时间(时序信号)和空间(部件操作信号)的函数。

2)体制:组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号的基本体制是电位—脉冲制

2.时序信号产生器

1)功能：产生时序信号

各型计算机产生时序电路不相同，大、中型计算机的时序电路复杂，微型计算机的时序电路简单 

2)构成：时钟源 、环形脉冲发生器、节拍脉冲和读写时序译码逻辑、启停控制逻辑

 3.控制方式

机器指令所包含的CPU周期数反映了指令的复杂程度，不同CPU周期的操作信号的数目和出现的先后次序也不相同。

控制方式：控制不同操作序列时序信号的方法。 分为以下几种：同步控制方式、异步控制方式、联合控制方式

1)同步控制方式(指令的机器周期和时钟周期数不变)

完全统一的机器周期执行各种不同的指令，采用不定长机器周期，中央控制于局部控制的结合

2)异步控制方式

每条指令需要多长时间就占多长时间

3)联合控制方式

大部分指令在固定的周期内完成，少数难以确定的操作采用 异步方式，机器周期的节拍脉冲固定，但是各指令的机器周期数不固定(微程序控制器采用)

4.微程序控制器

基本思想：仿照解题的方法，把操作控制信号编制成微指令，存放到控制存储器里，运行时，从控存中取出微指令，产生指令运行所需的操作控制信号。从上述可以看出，微程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。

二、并行处理技术

1.并行性(Parrelism)概念

(狭义)含义——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

(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

2.并行处理技术

三种形式

1)时间并行(重叠)：让多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套硬件设备的各个部件，以加快硬件周转而赢得速度，实现方式就是采用流水处理部件

2)空间并行(资源重复)：以数量取胜，它能真正的体现同时性，LSI和VLSI为其提供了技术保证

3)时间+空间并行

Pentium中采用了超标量流水线技术

3.流水计算机的系统组成

4.流水CPU的结构

1)流水线CPU时空图

IF (Instruction Fetch取指)

ID （Instruction Decode指令译码)

EX(Execution执行)

WB (Write Back写回)

 

 

 

(d)超标量流水线时空图——具有两条以上的指令流水线，上图中流水线满载时，每一个时钟周期可以执行2条指令，采用时间和空间并行技术

2)流水线(Pipelining)的分类按级别分为:指令流水线、算术流水线、处理机流水线（宏流水线）

5.流水线中的主要问题

三种相关冲突：资源相关、数据相关、控制相关

1)资源相关：多条指令进入流水线后在同一时钟周期内争用同一功能部件。

解决办法：后边指令拖一拍再推进；增设一个功能部件

2)数据相关

RAW(Read After Write):后面指令用到前面指令所写的数据

WAW(Write After Write):两条指令写同一个单元，在简单流水线中没有此类相关，因为不会乱序执行

WAR(Write After Read):后面指令覆盖前面指令所读的单元，在简单流水线中没有此类相关

解决办法：可以推后后继指令对相关单元的读操作，设置相关的直接通路(Forwarding)

3)控制相关

引起原因：转移指令

解决办法：延迟转移法，转移预测法