计组复习（八）

对应唐书第八章——CPU的结构与功能。

目录

一、CPU的结构

二、指令周期

 三、流水

1.  影响流水性能的因素

1.1 结构相关

1.2 数据相关

 1.3 控制相关

 2. 流水线性能

3. 流水线中的多发技术

4. 流水线结构

四、中断系统

1. 概述

2. 中断请求标记和判优逻辑

3. 中断服务程序入口地址 

4. 中断响应

5. 保护现场和恢复现场

6. 中断屏蔽技术

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一、CPU的结构

        CPU包括控制器和运算器两部分。，其功能也主要体现在这两方面

         CPU中寄存器可分为两类，一类属于用户可见寄存器，用户能对其编程；另一类属于控制和状态寄存器，不可编程。

二、指令周期

        CPU取出并执行一条指令的全部时间成为指令周期，各种指令的指令周期是不同的。

         在取值、间址、执行、中断周期都会有CPU访存操作，但目的不同。

        另外，要求掌握指令周期的数据流（P334）。

 三、流水

         前面已经介绍了提高访存速度、I/O交换速度、运算速度的方法。

        为了进一步提高速度，需要提高器件的性能，并提高系统的并行性。粗粒度的并行如进程间的并行，由软件实现；细粒度的并行如指令之间，由硬件实现。

1.  影响流水性能的因素

1.1 结构相关

        指令在重叠执行过程中，不同指令争用同一功能部件产生资源冲突。

        解决办法：指令暂停一个阶段；数据存储器和指令存储器分开；指令预取技术（基于访存周期很短的情况）。

1.2 数据相关

        重叠操作导致对操作数的读写顺序改变，主要是写操作造成的。其中读后写相关、写后写相关可能会在乱序的情况下出现。

        解决方法有后推法（暂停）和旁路技术（不必等待数据送回寄存器，直接送到需要的地方）

 1.3 控制相关

        主要由转移指令引起，无法提前判断是顺序还是跳转，书上简单预测为顺序，会带来很多的浪费。这方面有很多的机制，不过考试不涉及。

 2. 流水线性能

         吞吐率为单位时间内流水线完成指令的数量，分为实际吞吐率（含启动）与最大吞吐率。

         加速比为流水与非流水的速度之比。 

        效率为流水线中各功能段的利用率，直观来说，就是指令占的面积与大矩形的面积之比。

3. 流水线中的多发技术

        超标量技术：每个周期多条独立指令。不能调整指令执行顺序，但可编译优化。

        超流水线：流水再分段。不能调整指令执行顺序，但可编译优化。

        超长指令字：合并多条可并行的指令。

4. 流水线结构

        并不是流水就一定好，是否采用流水、在哪部分采用流水都要根据具体情况而定。

四、中断系统

1. 概述

        引起中断的因素很多，大概这几类：

        ①人为设置

        ②程序性事故：如溢出、除零、操作码不能识别。

        ③硬件故障：接触不良、电源掉电等。

        ④I/O设备

        ⑤外部事件：如键盘输入。

        通常将引起中断的因素称为中断源，分为可屏蔽和不可屏蔽（如电源掉电）。

2. 中断请求标记和判优逻辑

         中断判优可用硬件和软件实现，硬件排队又分为链式排队器和CPU中的排队器，软件排队主要是编写查询程序。

3. 中断服务程序入口地址 

        不同中断源对应不同的中断服务程序，可通过硬件向量法和软件查询法寻找入口地址。

        硬件向量法通过中断向量形成部件形成向量地址，对应单元内存放入口地址（向量地址表）或跳转指令。速度快，被普遍采用。

        软件查询通过跳转指令确定入口地址（程序员或系统事先指定），不涉及硬件，但慢。

4. 中断响应

        响应中断的条件——允许中断触发器EINT置1，且有中断请求。

        响应中断的时间——执行周期结束后。统一向所有中断源发中断查询请求。

        在中断周期，CPU会自动完成一系列操作：保护程序断点（PC存入堆栈或特定单元），寻找中断服务程序入口地址，关中断（EINT=0）。这些操作都是由一条中断隐指令完成的，机器指令系统中没有，由硬件自动完成。

5. 保护现场和恢复现场

        保护现场包括保护程序断点以及CPU内部各寄存器。其中，程序断点保护可由中断隐指令完成，寄存器保护可在中断服务程序中由用户或系统用机器指令实现。

        恢复现场指中断返回前，回复寄存器值，同样由中断服务程序实现。

6. 中断屏蔽技术

        中断屏蔽技术用于多重中断。

        实现多重中断的条件：提前设置“开中断”，高优先级中断源有权中断低优先级。

        单重中断与多重中断的区别在于开中断的时机。单重中断在中断返回前开中断，而多重中断在保护现场之后就开中断。

        每个中断请求触发器都有一个屏蔽触发器，屏蔽触发器置1时对应EINT只能置0。所有屏蔽触发器构成屏蔽寄存器，其内容称为屏蔽字。

        置屏蔽字的时机是在保护现场之后、开中断之前。恢复屏蔽字的时机是在恢复现场之后，开中断之前。注意这里新增了一个关中断、开中断的过程。

        如下图，响应优先级为ABCD，处理优先级为ADCB。由于响应优先级无法改变，在A中断结束后，依次进入BC的中断服务程序，保护现场，并设置屏蔽字，设置完之后被更高级别的中断打断。

        严格来说，优先级分为响应优先级和处理优先级。其中响应优先级是硬件线路设计好的，如不采用屏蔽技术，则响应优先级就是处理优先级。屏蔽技术只能改变处理优先级。