计算机组成与系统结构
第7章 中央处理器
中央处理器概述
时序系统
数据通路的组成与实现方法
控制器原理与实现方法
微程序控制原理
流水线技术
中央处理器概述
CPU的功能
从程序运行的角度来看，CPU的基本功能就是对指令流和数据
流在时间与空间上实施正确的控制，主要包含以下几种具体功能：
指令控制：能自动从存储器中取出指令，控制指令的执行序列，如顺
序、跳转等。
操作控制：分析指令，产生完成指令所需要的控制信号，协调并控制
计算机各部件执行指令的操作。
时序控制：对各种操作加以时间上的控制。
数据加工：对数据进行算术运算、逻辑运算或者逻辑测试。
中断处理：处理计算机运行过程中出现的异常情况和特殊要求。
CPU的组成与主要寄存器
的组成
CPU=控制器+运算器
控制器的主要功能如下：
① 从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。
② 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
③ 指挥并控制CPU、主存和输入输出设备之间的数据流动方向。
运算器的主要功能如下：
① 执行所有的算术运算。
② 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。
中央处理器概述
中央处理器概述
控制单元：CU
指令译码器：ID
指令寄存器：IR
存储器数据寄存器：MDR
算术逻辑单元：ALU
累加器：AC
程序状态字寄存器：PSWR
程序计数器：PC
存储器地址寄存器：MAR
输入输出设备：I/O
中央处理器概述
中的主要寄存器
对程序设计者可见的寄存器和“透明”的寄存器；
按功能分为通用的和专用的寄存器。
中央处理器概述
CPU的主要技术参数
1.核心数量
通过芯片的主频和晶体管提升计算机性能基本抵达了物理极限，
因此多核技术已经成为当前处理器的主流。一般而言物理核心越多，
处理器性能越强，但并不绝对，感兴趣的同学可以了解下“功耗墙”
问题。
2.主频、外频与倍频
主频是内部工作频率又称为内频，是衡量CPU速度的重要参数。
CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能
力并没有直接关系。因此主频仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表
CPU的整体性能。
中央处理器概述
CPU除了主频之外，还有另一种工作频率，称为外部工作频率，
它是由主板为CPU提供的基准时钟频率。
早期CPU的内频等于外频，现代微机采用倍频技术。内频、
外频和倍频三者之间的关系是：
内频=外频×倍频
理论上倍频是从一直到无限，以为一个间隔单位。
中央处理器概述
3.片内高速缓冲存储器
CPU片内高速缓冲存储器（Cache）是为了解决CPU和主存之
间工作的速度差异而设置的。片内Cache容量是衡量CPU的性能的
重要指标之一，一般容量越大越好。现代主流的CPU 的片内高速缓
冲存储器的组织采用层次结构。
4.电压与功耗
CPU的工作电压指的是CPU正常工作所需的电压。CPU的工作
电压总的发展趋势有一个非常明显的下降变化，更低的电压，带来
更低的功耗，更适合现代移动和便携式计算；更低的功耗，带来发
热量减少，能够减缓器件的老化，延长机器的使用寿命；最重要的
方面是降低电压有利于提高主频从而提高CPU性能。当然电压不是
无限制地越低越好，实验表明较高的电压能带来更好的信号稳定性。
中央处理器概述
5.制造工艺
线宽是指芯片内电路与电路之间的距离，可以用线宽来描述
制造工艺。线宽越小，意味着芯片上包括的晶体管数目越多。
Pentium Ⅱ的线宽是μm，晶体管数达到兆个；
Pentium Ⅲ的线宽是μm，晶体管数达到兆个；Pentium
4的线宽是μm，晶体管数达到42兆个。近年来线宽已由
28nm、14nm、7nm发展到5nm，可以预计未来可能出现更小尺
寸的线宽，但由于受到物理条件的限制，不可能无限小。
第7章 中央处理器
中央处理器概述
时序系统
数据通路的组成与实现方法
控制器原理与实现方法
微程序控制原理
流水线技术
时序系统
基本概念
1.指令周期和机器周期
时序系统是控制器的心脏，其功能是为指令的执行提供各种
定时信号。
指令周期：取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间。指
令功能和复杂度不同，各种指令周期不尽相同。
机器周期：每个机器周期完成一个基本操作，如取指周期。基本操
作复杂度不同，机器周期不尽相同。
指令周期＝i×机器周期
i为整数。
时序系统
2.时钟周期及选取方案
T0 T1
T0
T0
T0
T0’
T0’
T1’
T1’
T1
T1
T1
T
时钟周期
机器周期
指令周期
取指周期 分析取数周期 执行周期
指令的执行时间
时钟周期：处理器内数字脉
冲震荡信号周期，主频的倒
数。微机中常用指令周期-
机器周期-时钟周期三级时
序系统。
常见的时序选取方案：
（1）定长CPU周期
（2）不定长CPU周期
（3）时钟周期插入法
(1）定长CPU周期
以最复杂的机器周期为准定出时钟个数（节拍数），每一
节拍时间的长短也以最繁的微操作作为标准。这种方法采用统一
的、具有相等时间间隔和相同数目的时钟，使得所有的机器周期
长度都是相等的，因此称为定长CPU周期。
(2)不定长CPU周期
按照机器周期的实际需要安排时钟周期数，需要多少节
拍，就发出多少节拍，这样可以避免浪费，提高时间利用率。
由于各机器周期长度不同，又称为不定长CPU周期。
时序系统
(3)时钟周期插入法
前两种方式的折中实现的思路。在照顾多数机器周期要求
的情况下，选取适当的时钟周期个数（节拍数），作为基本时长，
如果在某个机器周期内基本时长内无法完成该周期的全部微操作，
则可通过插入时钟周期。
T1 T2 T3 T4
T1 T2 TwTwT3 T4
M
M’
8086总线周期
时序系统
控制方式
1.同步控制方式
又称集中控制方式或中央控制方式。各操作均由统一时序信号驱动。
特点：设计简单，容易实现，有时间浪费。
2.异步控制方式
又称分散控制方式或局部控制方式。各项操作不采用统一的时序信
号控制，而根据指令或部件的具体情况交互决定。
特点：控制复杂，没有时间上的浪费，机器效率高。
时序系统
3.联合控制方式
这是同步控制和异步控制相结合的方式。实际上现代计算机中几
乎没有完全采用同步或完全采用异步的控制方式，大多数是采用联合
控制方式。
通常的设计思想是：在功能部件内部采用同步方式或以同步方
式为主的控制方式，在功能部件之间采用异步方式。
时序系统
一条指令运行的
基本过程可以分为三
个阶段：取指令阶
段、分析取数阶段
和执行阶段。
指令运行的基本过程
时序系统
时序系统
1.取指令阶段
取指令阶段完成的任务是将现行指令从主存中取出来并送至指令寄存器中去。具
体的操作为：
①将程序计数器（PC）中的内容送至存储器地址寄存器（MAR），并送地址总
线（AB）。(PC)→MAR
②由控制单元（CU）经控制总线（CB）向主存发读命令。 Read
③从主存中取出的指令通过数据总线（DB）送到存储器数据寄存器（MDR）。
M(MAR) →MDR
④将MDR的内容送至指令寄存器（IR）中。 (MDR)→IR
⑤将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备。 (PC)＋1→PC
以上这些操作对任何一条指令来说都是必须要执行的操作，所以称为公共操
作。
时序系统
2.分析取数阶段
取出指令后，机器立即进入分析指令阶段，指令译码器ID可识
别和区分不同的指令类型及各种获取操作数的方法。由于各条指令功
能不同，寻址方式也不同，所以分析取数阶段的操作是各不相同的。
3.执行阶段
执行阶段完成指令规定的各种操作，形成稳定的运算结果，并将
其存储起来。
计算机的基本工作过程可以概括成为取指令、分析取数、执
行指令，然后再取下一条指令，……。如此周而复始，直至遇到停机
指令或外来的干预为止。
第7章 中央处理器
中央处理器概述
时序系统
数据通路的组成与实现方法
控制器原理与实现方法
微程序控制原理
流水线技术
数据通路概念
数据通路源于数字系统设计，指数据在各模块或者各子系统之间
传送的路径。
主要模块包含：运算器、控制器、寄存器组和选择器等；
模块的连接形式可以采用：
基于总线的结构，或者基于专用数据通路直连结构。
数据通路的组成与实现方法
数据通路结构及其设计
数据通路设计的一般步骤为：
1. 拟定指令系统，确定指令的格式与功能，寻址方式等。
如规整型指令、寄存器寻址方式。
2. 确定总体结构，分析每条指令的执行流程，确定该指令信息流经的
功能部件，如PC，IR，ALU，MAR，MDR等以及连接方式。
3. 安排好工作时序，拟定指令流程与微命令序列。
4.形成控制逻辑实现，如采用组合逻辑型或者微程序控制型。
数据通路的组成与实现方法
数据通路的组成与实现方法
数据通路实例分析
加法指令ADD @R0 ,R1
这条指令完成的功能是把R0的内容作为地址送到主存以
取得第一操作数，再与R1的内容相加，最后将结果送回主存中。
即实现：
((R0))＋(R1)→(R0)
寄存器间
接寻址
寄存器寻
址
目的操作
数地址
源操作数
地址
1.取指阶段的数据通路
取指阶段的任务：
从主存读当前指令送到送到指
令寄存器IR中，并将程序计数器PC
更新为下一条指令地址。
涉及到的功能部件：
PC→MAR→MEM→MDR→IR
假定采用单总线方式连接各个功能
部件。
数据通路的组成与实现方法
数据通路的组成与实现方法
此加法指令的取指阶段具体操作如下：
① PCout和MARin有效，完成PC经CPU内部总线送至MAR的操
作，记作(PC)→MAR；
② 通过控制总线（图中未画出）向主存发读命令，记作Read；
③ 存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容（指令）送至
MDR，记作M(MAR)→MDR；
④ MDRout和IRin有效，将MDR的内容送至IR，记作(MDR)→IR。
至此，指令被从主存中取出，其操作码字段开始控制CU。
⑤ 使PC内容加1，记作(PC)+1→PC。
2.分析取数阶段的数据通路
分析取数阶段操作完成取操作数
的任务，与具体指令相关。如ADD
@R0,R1指令第一个操作数采用的是寄存
器间接寻址，第二个操作数采用的是寄
存器寻址。
涉及到的功能部件：
取操作数涉及寄存器模块R0和R1，
其中第二个操作数已经在R1中。假定寄
存器间接寻址取回的操作数送往暂存器Y
保存，则该指令的间接取数阶段的数据
通路为R0→MAR→MEM→MDR→Y。
数据通路的组成与实现方法
数据通路的组成与实现方法
此加法指令的分析取数阶段具体操作如下：
被加数在主存中，加数已放在通用寄存器R1中。
① R0out和MARin有效，完成将被加数地址送至MAR的操作，
记作(R0)→MAR；
② 向主存发读命令，记作Read；
③ 存储器通过数据总线将MAR所指单元的内容（数据）送至
MDR，同时MDRout和Yin有效，记作M(MAR)→MDR→Y；
3.执行阶段的数据通路
加法指令在此阶段的任务是完
成加法运算，并将结果写回主存。
假定加法结果在寄存器Z中暂存，
因此执行加法运算时流经的数据通
路为 (R1)+(Y)→Z→MDR，其中ALU
实现加法运算。
数据通路的组成与实现方法
数据通路的组成与实现方法
此加法指令的执行阶段具体操作如下：
① R1out和ALUin有效，同时CU向ALU发“ADD”控制信号，使R1
的内容和Y的内容相加，结果送寄存器Z，记作(R1)+(Y)→Z。
② Zout和MDRin有效，将运算结果送MDR，记作(Z)→MDR。
③ 向主存发写命令，记作Write。
至此，运算结果被写入主存单元。
第7章 中央处理器
中央处理器概述
时序系统
数据通路的组成与实现方法
控制器原理与实现方法
微程序控制原理
流水线技术
控制器原理与实现方法
控制器的基本组成
控制器是计算机系
统的指挥中心，它把运算
器、存储器、输入 /输出
设备等部件组成一个有机
的整体，然后根据指令的
要求指挥全机的工作。
控制器原理与实现方法
控制器的硬件实现方法
控制器的输入是机器指令代码，输出是微操作控制信号，因此
微操作信号发生器是控制器的核心。根据产生微操作控制信号的方
式不同，控制器可分为3种，它们的根本区别在于微操作信号发生器
的实现方法不同，而控制器中的其它部分基本上是大同小异的。
微操作信号发生器
操作码译码输出
微操作控制信号
时序信号 各部件状态
反馈信号
……
控制器原理与实现方法
1.组合逻辑型，又称常规控制器或硬布线控制器
由门电路组成产生微操作控制信号的复杂树形网络。
优点:速度快。缺点：结构不规整，使得设计、调试、维修较
困难。
2.存储逻辑型，又称微程序控制器
把微操作信号代码化，存入控制存储器中，微操作控制信号由
微指令产生。
优点：设计规整、调试、维修以及更改、扩充指令方便，易于
实现自动化设计。缺点：指令执行速度比组合逻辑控制器慢。
3.组合逻辑和存储逻辑结合型，又称PLA控制器。
它是组合逻辑技术和存储逻辑技术结合的产物，它克服了两者
的缺点，是一种较有前途的方法。
控制器原理与实现方法
单周期处理器的控制原理
控制器原理与实现方法
控制器原理与实现方法
控制器原理与实现方法
控制器原理与实现方法
控制器原理与实现方法
单周期控制器特点：
简单、CPI=1、效率低、无法器件复用…
思考：
如何提升效率？
控制器原理与实现方法
多周期处理器的控制原理
单周期效率低，改进方式之一把指令的执行细分成多个基本
操作，每个基本操作在一个时钟周期内完成，此时一个指令周期
包含多个时钟周期，不同指令周期长度可能不同。
控制器原理与实现方法
基于状态机的多周期控制器设计：
状态机不唯一。状态机设计时，
首先将指令划分为若干大类。取指
公操作是所有指令都有的，因此指
令的状态分支在译码阶段判定，按
照增量方式，由一条指令开始分析，
根据指令的执行流程设计状态以及
状态转换，若某条指令归入任一分
类都感觉不合理时，则新增一个状
态处理，直至指令集中的所有指令
都处理完毕。如图7-175个状态的状
态机。
第7章 中央处理器
中央处理器概述
时序系统
数据通路的组成与实现方法
控制器原理与实现方法
微程序控制原理
流水线技术
微程序控制原理
微程序控制的基本概念
1951年英国剑桥大学的教授提出微程序设计的概念和原理。
1964年，IBM公司在IBM360系列机上成功地采用了微程序设计技术，
解决了指令系统的兼容问题。
70年代以来，由于VLSI技术的发展，推动了微程序设计技术的发展和
应用，目前，大多数计算机都采用微程序设计技术。
微程序设计技术的实质是将程序设计技术和存储技术相结合，
即用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑，将微操作控制信号按一
定规则进行信息编码（代码化），形成控制字（微指令），再把这些微
指令按时间先后排列起来，存放在一个只读存储器中。
微程序控制原理
1.微命令和微操作
一条机器指令可以分解成一个微操作序列，这些微操作是计
算机中最基本的、不可再分解的操作。微命令是控制计算机各部件完
成某个基本微操作的命令。
微命令和微操作是一一对应的。微命令是微操作的控制信号，
微操作是微命令的操作过程。
微命令有兼容性和互斥性之分，兼容性微命令是指那些可以
同时产生，共同完成某一些微操作的微命令；而互斥性微命令是指在
机器中不允许同时出现的微命令。兼容和互斥都是相对的，一个微命
令可以和一些微命令兼容，和另一些微命令互斥。对于单独一个微命
令，谈论其兼容和互斥都是没有意义的。
微程序控制原理
2.微指令、微地址
微指令是指控制存储器中的一个单元的内容，即控制字，它
是若干个微命令的集合。存放控制字的控制存储器的单元地址就称为
微地址。
一条微指令通常至少包含两大部分信息：
微指令有垂直型和水平型之分，垂直型微指令接近于机器指令的
格式，每条微指令只能完成一个基本操作。水平型微指令则具有良好
的并行性，每条微指令可以完成较多的基本操作。
操作控制字段 顺序控制字段
微程序控制原理
3.微周期
从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微命令
所需的全部时间称为微周期。
4.微程序
一系列微指令的有序集合就是微程序。一条机器指令
对应于一段微程序。
指令的集合 指令
（微程序）
微指令的集合 微指令
微命令的集合 微命令
程序
程序设计者看到的传统机器
层，包括：机器指令、工作
程序、主存储器；
机器设计者看到的微程序
层，包括：微指令、微程
序和控制存储器。
微程序控制原理
微指令编码法
微指令编码法指的就是微操作控制字段的编码方法。各类计算机的微
指令编码法不同。
1.直接控制法（不译码法）
操作控制字段中的各位分别可以直接控制计算机，不需
要进行译码。操作控制字段的每一个独立的二进制位代表一个微命令，
该位为“1”表示这个微命令有效，为“0”表示这个微命令无效。每
个微命令对应并控制数据通路中的一个微操作。
微操作控制字段
……
1 0 11 0
优点：结构简单，并行性强，操作速度快
缺点：微指令字太长，信息的利用率不高。
微程序控制原理
2.最短编码法
最短编码微指令字最短。这种方法将所有的微命令统一编码，
每条微指令只定义一个微命令。若微命令的总数为N，操作控制字段
的长度为L，则：
L≥log 2N
优点：微指令字长最短，
缺点：需要译码器译码才能得到需要的微命令。微命令数目越
多，译码器就越复杂。无法并行性，微程序长，不支持某些要求在
同一时刻同时动作的组合性微操作。
微程序控制原理
3.字段编码法
前两种编码法的一个折衷的方法，既具有两者的优点，又克服
了它们的缺点。这种方法将操作控制字段分为若干个小段，每段内
采用最短编码法，段与段之间采用直接控制法。这种方法又可进一
步分为字段直接编码法和字段间接编码法。
(1)字段直接编码法
译码器 译码器 译码器
微指令
寄存器
微命令 微命令 微命令
操作控制字段 顺序控制字段
…
…
………
………
各字段都可以独立地定义本字
段的微命令，而和其他字段无关，
因此又称为显式编码或单重定义编
码方法。这种方法缩短了微指令字，
因此得到了广泛的应用。
微程序控制原理
① 把互斥性的微命令分在同一段内，兼容性的微命令
分在不同段内。这样不仅有助于提高信息的利用率，缩短微指令字
长，而且有助于充分利用硬件所具有的并行性，加快执行的速度。
例如，运算器的输出控制信号有直传、左移、右移、半字交
换等四个，这四个微命令是互斥的，它们可以安排在同一字段编码。
同样，存储器的读和写命令也是一对互斥的微命令。还有象A→C、B→C
（A、B、C都是寄存器）这样的一类微命令也是互斥的微命令，它
们不允许在同一时刻出现。
字段编码法中操作控制字段的分段原则：
微程序控制原理
② 应与数据通路结构相适应。
③ 每个小段中包含的信息位不能太多，否则将增加译码线
路的复杂性和译码时间。
④ 一般每个小段还要留出一个状态，表示本字段不发出任
何微命令。因此当某字段的长度为三位时，最多只能表示七个互斥的微
命令，通常用000表示不操作。
例如：假设某计算机共有256个微命令，如果采用字段直接编
码法，若4位为一个段，共需18段，操作控制字段只需72位，而且在同一
时刻可以并行发出18个不同的微命令。
微程序控制原理
(2)字段间接编码法
字段间接编码法是在字段直接编码法的基础上，用来进一步缩短微
指令字长的方法。间接编码的含义是，一个字段的某些编码不能独立地
定义某些微命令，而需要与其他字段的编码来联合定义，因此又称为隐
式编码或多重定义编码方法。
微程序控制原理
.微程序控制器的基本组成
1.微程序控制器的基本组成
(1)控制存储器（CM）
核心部件，用来存放微程序。
(2)微指令寄存器（IR ）
用来存放从CM取出的正在执行的微指令。
(3)微地址形成部件
用来产生初始微地址和后继微地址。
(4)微地址寄存器（ MAR ）
它接受微地址形成部件送来的微地址，为在CM中读取微指令
作准备。
微程序控制原理
主存
控存
IR
2.微程序控制器的工作
过程
微程序控制器的工
作过程实际上就是在微
程序控制器的控制下，
计算机执行机器指令的
过程。
微程序控制原理
(1)执行取指令公操作。取指令的公共操作通常由一段取指微程
序来完成，这个取指微程序也可能仅由一条微指令组成。
具体的执行是：在机器开始运行时，自动将取指微程序的
入口微地址送MAR，并从CM中读出相应的微指令送入IR。微指令
的操作控制字段产生有关的微命令，用来控制实现取机器指令的公共
操作。取指微程序的入口地址一般为CM的0号单元，当取指微程序执
行完后，从主存中取出的机器指令就已存入指令寄存器IR中了。
(2)由机器指令的操作码字段通过微地址形成部件产生出该机器
指令所对应的微程序的入口地址，并送入MAR。
(3)从CM中逐条取出对应的微指令并执行之。
(4)执行完对应于一条机器指令的一段微程序后又回到取指微程
序的入口地址，继续第(1)步，以完成取下条机器指令的公共操作。
微程序控制原理
以上是一条机器指令的执行过程，如此周而复始，直到整
个程序执行完毕为止。
3. 机器指令对应的微程序
一条机器指令对应一个微程序。一般n条机器指令的微程序控制
器中至少包含有n+1个微程序段。
微程序控制原理
.微程序入口地址的形成
一般由机器指令的操作码字段指出各段微程序的入口地址
（初始微地址），主要有三种方式。
1.一级功能转换
如果机器指令操作码字段的位数和位置固定，可以直接
使操作码与入口地址码的部分位相对应。
微程序控制原理
例如，某机有16条机器指令，
指令操作码由4位二进制数表示，
现以字母表示操作码，令微程序
的入口地址为：
1 1 B
各微程序的入口地址
相差4个单元。
1 1MOV指令0 0 0 0
0 3 H
ADD指令0 0 0 1
7
SUB指令0 0 1 0
B
00H
公
用
段
MOV ADD * * *
指
令
指
令
指
令
03H 07H 3FH
…
微程序控制原理
2.二级功能转换
当同类机器指令的操作码字段的位数和位置固定，而不同类机
器指令的操作码的位数和位置不固定时，就不能再采用一级功能转
换的方法。所谓二级功能转换是指第一次先按指令类型标志转移，
以区分出指令属于哪一类，如：是单操作数指令，还是双操作数指
令等。因为每一类机器指令中操作码字段的位数和位置是固定的，
所以第二次即可按操作码区分出具体是哪条指令，以便找出相应微
程序的入口微地址。
3.通过PLA电路实现功能转换
当机器指令的操作码位数和位置都不固定时，可以采用PLA电
路将每条机器指令的操作码翻译成对应的微程序入口地址。这种方
法对于变长度、变位置的操作码显得更有效，而且转换速度较快。
微程序控制原理
后继微地址的形成
找到初始微地址之后，可以开始执行微程序，每条微指令执
行完毕都要根据要求形成后继微地址。后继微地址的形成方法对微程
序编制的灵活性影响很大，它主要有两大基本类型：增量方式和断定
方式。
1.增量方式（顺序－转移型微地址）
这种方式和机器指令的控制方式很类似，它也有顺序执行、
转移和转子之分。顺序执行时后继微地址就是现行微地址加上一个增
量（通常为1）；转移或转子时，由微指令的顺序控制字段产生转移
微地址。因此，在微程序控制器中应当有一个微程序计数器（
PC），为了降低成本，一般情况下都是将微地址寄存器MAR改为
具有计数功能的寄存器，以代替PC。
微程序控制原理
2.断定方式
断定方式的后继微地址可由微程序设计者指定，或者根据微指令所规定的测
试结果直接决定后继微地址的全部或部分值。
这是一种直接给定与测试断定相结合的方式，其顺序控制字段一般由
两部分组成：非测试段和测试段。
(1)非测试段，可由设计者指定，一般是微地址的高位部分，用来指定后继微地址
在CM中的某个区域内。
(2)测试段，根据有关状态的测试结果确定其地址值，一般对应微地址的低位部分。
这相当于在指定区域内断定具体的分支。所依据的测试状态可能是指定的开关状
态、指令操作码、状态字等。
测试段如果只有一位，则微地址将产生两个分支，若有两位，则最多可产
生四个分支，依此类推，测试段为n位最多可产生2n个分支。
微程序控制原理
微程序设计
1.微程序设计方法
（1）水平型微指令及水平型微程序设计
（2）垂直型微指令及垂直型微程序设计
（3）混合型微指令
微程序控制原理
2.微指令的运行方式
（1）串行方式
（2）并行方式
微程序控制原理
3.微程序仿真
第7章 中央处理器
中央处理器概述
时序系统
数据通路的组成与实现方法
控制器原理与实现方法
微程序控制原理
流水线技术
流水线技术
重叠与先行控制
例：假定一条指令的执行分为三个阶段：取指令、分析、执行。
下图表示了三种执行方式相邻指令间的时序关系。假定各段时间相等。
T=(1+2n)t
T=3nt
T=(2+n)t
流水线技术
指令流水线工作原理
1.流水线表示方法
(1)连接图：
(2)时空图：
流水线技术
2.流水线分类
(1)从流水处理的级别上分类:
部件级: 指构成部件内的各子部件之间的流水。
指令集流水：指将指令的执行过程分为多个子过程的流水。
处理机级流水：指构成计算机系统的多个处理机之间的流水
流水线技术
（2）按功能分类
单功能流水线
指只能实现一种功能的流水线。
多功能流水线
指同一流水线的各个段之间可以有多种不同的联接方式，以实
现多种不同的运算或功能。
(3)按工作方式分类
静态流水线
动态流水线
70
流水线技术
静态流水线示例
流水线技术
动态流水线示例
流水线技术
（4）按照流水线的结构分：
线性流水线(Linear Pipelining)：每个流水段都流过一次，且仅
流过一次。
非线性流水线(Nonlinear Pipelining)：在流水线的某些流水段之
间有反馈回路或前馈回路。
线性流水线能够用流水线连接图唯一表示，非线性流水线必须
用流水线连接图流水线预约表等共同表示。
流水线技术
流水线的主要性能指标
1.吞吐率
流水线的吞吐率（TP）是指在单位时间内流水线所完成的任务
数量或输出的结果数量。若流水线Tk时间完成n个任务，则吞吐率为
TP = n /Tk。
流水线存在“瓶颈”流水段时，连续输入n个任务的一条k段线性流
水线的实际吞吐率为：
流水线技术
例7-1：有一指令流水线连接图和各段时间消耗如图7-38所示，
问该计算机的CPU时钟至少是多少？完成10个任务的吞吐率是
多少？最大吞吐率是多少？
解：这个指令流水线的各功能段执行时间是不相同的。由于各功
能段的时间不同，计算机的CPU时钟周期应当以最长的功能段执
行时间为准，max{50,50,100,200}，即CPU时钟至少为200ns。
实际吞吐率TP= 10/[(50+50+100+200)+9×200]=1/220条指令/秒
最大吞吐率Tpmax=1/200条指令/秒
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解决流水线瓶颈的方法：
一是将“瓶颈”部分再细分,
当分成与其他时间段几乎相等
的功能段时, 就会每一个时间
步(1个时钟周期)出一条指令，
如7-39；
另一种是采用 “瓶颈”段复
制的方法，用数据分配器, 将
多条指令的“瓶颈”段(访存)
并行地执行,加快执行过程。如
图7-40，当然复杂度要高。
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2.加速比
不使用流水线相对使用流水线所花费的时间比值。
假定不使用流水线所用的时间为T0，使用流水线的时间为Tk，则
流水线的加速比为： S = T0 / Tk
当流水线的各个流水段的执行时间为△ti时，一条k段线性流水
线完成n个连续任务的实际加速比为：
若各个流水线各段执行时间相等，n个任务理想流入并且流出流水线，
则上式可以化简为：
流水线技术
例7-2 假定非流水线机器，时钟周期为10ns，ALU和分支操作需要4
个时钟周期，存储器操作需要5个时钟周期，以上操作的比例相应为
40%，20%，40%，流水线机器上由于存在时钟偏移和启动时间，
时钟周期增加了1ns，并忽略其他的影响，求该流水线的加速比。
解：非流水线的机器上，指令的平均执行时间：
指令平均执行时间=时钟周期 × 平均CPI
=10ns× [(40%+20%)× 4 + 40%×5]
=44ns
在流水线方式下，时钟周期为10+1=11ns。
所以加速比为 44/11=4。
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3.效率
流水线的效率是指流水线的设备利用率,即流水线中设备的使用时间
占整个运行时间之比，也称流水线设备的时间利用率。流水线的效率包含
时间和空间两方面的因素，通过时空图来计算流水线的效率非常方便。
各段的执行时间不相等的k段线性流水线，完成n个连续任务的效率为：
从时空图上来看：效率实际上就是n个任务所占用的时空区面积与k个段所
占用的总的时空区的面积之比。当n>>k时，效率E趋近于1。
各段时间
相等可化简为
流水线技术
指令流水线的相关性问题
1.结构相关
由于多条指令在同一时刻争夺同一资源而形成的冲突称为结
构相关，也称资源相关。
2.数据相关
后续指令要使用前面指令的操作结果，而这一结果尚未产生
或者未送到指定的位置，从而造成后续指令无法运行的局面称为
数据相关。
根据指令间对同一个寄存器读或写操作的先后次序关系，数
据相关可分为RAW（写后读）、WAR（读后写）和WAW（写后
写）3种类型。
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3.控制相关
控制相关主要是由转移指令引起的，在遇到条件转移指令
时，存在着是顺序执行还是转移执行两种可能，需要依据条件的
判断结果来选择其一。在无法确定应该选择把哪一程序段安排在
转移指令之后来执行的局面称为控制相关，又称指令相关。
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流水线相关性解决方案
1.结构相关的解决：可以通过插入阻塞周期暂停流水线，或者通
过增加硬件的方式来解决。如：
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2.数据相关的解决：一般WAW冒险和WAR冒险仅存在于某些种
类的处理器中，常见的为RAW型数据相关。如：
流水线技术
使用旁路方式解决。
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3.控制相关的解决
控制相关主要由转移指令引起。
两种广泛使用的解决方式：
（1）简单但不高效的相关解决方式：阻塞，即停顿流水
线，暂停流水线一个或多个时钟周期。阻塞能解决所有相关。
（2）分支预测。
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流水线数据通路与控制器设计
数据通路在多周期数据通路的基础上进行改造，增加流水段
寄存器。
两种不同类型的控制器：
集中式控制器
分布式控制器
