胡老师第十三周讲义

5.6硬布线控制器

基本思想：把控制部件作为产生时序控制信号的逻辑电路，这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形逻辑电路。

特点：由于硬布线控制器采用完全的逻辑电路，一点部件构成之后除非重现布线否则不可以新增加控制功能。

优点：硬布线控制器的速度很快。

基本结构如下图所示

指令执行流程

微操作信号的产生

5.6流水CPU

并行处理技术

并行性：两个及上市缠绵在同一时刻发生

并发性：两个以上时间在同一间隔内发生

并行的三种形式

时间并行：让多个处理过程在时间上相互错开
空间并行：设置重复资源，同时工作
时间并行+空间并行

传统处理器

并行处理器

流水CPU的组成

二级流水处理器：取指令，执行指令

四级流水处理器：取指令（IF)，指令译码(ID)，执行指令(EX)，结果写回(WB)

流水和非流水的指令执行时间

假设每条指令需要k个过程短执行完毕，每个段时间单位为△t：如果有n条指令：

在非流水CPU中，n条指令的执行时间为T=n * k * △t。

在流水CPU中，n条指令的执行时间为T = (k+n-1) * △t

流水线的主要问题

资源相关：多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内征用同一功能部件所发生的冲突。

数据相关：在一个程序中，如果必须等前一个条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，这两条指令就是数据相关

控制相关：控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果可能顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流。

解决控制相关对流水线性能的影响：

延迟转移法：基本思想是“先执行再转移”，即发生转移取时并不排空指令流水线，而是让紧跟在转移指令之后已进入流水线的少数几条指令继续完成。如果这些指令是与结果有关的指令，那么延迟损失时间片正好得到了有效的利用，否则将结果丢弃。
转移预测法：用硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来的行为。通过记录产生转移的指令和转移地址，将转移预测提前到取指阶段进行，使用转移取和顺序取两路指令预取队列器，以获得良好的效果。

奔腾处理器Pentium CPU举例

他是Intel公司的龙头产品，奠定了Intel公司在处理器行业霸主的地位，是非常经典的处理器。….

6.1总线的概念和结构形态

6.1.1总线的基本概念

总线可以分为三类

内部总线：CPU内部连接各级村一起及运算器部件之间的总线
系统总线：也叫外部总线。CPU和计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总线
IO总线：中低速io设备相互连接的总线

总线的特性

物理特性：对外的形状
功能特性：线束是否一致
电气特性：代表0和1的电平不一样
时间特性：又称为逻辑特性,指在总线操作过程中每一根信号线上信号什么时候有效,通过这种信号有效的时序关系约定,确保了总线操作的正确进行。

6.1.2总线的连接形式

总线得连接方式大同小异，不同之处仅在于数据线和地址线的宽度以及控制线的多少及功能。

单一总线结构：常见于单片机

多总线结构，CPU和cache之间采用告诉的CPU总线。主存连接总系统总线上。
- 通过桥，系统总线，CPU总线和高速总线连接。高速总线连接高速的并行外设(如网卡、视频卡、硬盘控制器）
- 通过扩展总线接口，扩展总线和高速总线相连，扩展总线连接低速的串行设备(如键盘，调制解调器)。

现在的总线结构

如果有公共的设备想要连入总线，那么需要在CPU总线模块发出申请。

奔腾处理器（经典南北桥结构）

北桥连接的是高速设备，南桥连接的是低速设备
桥的命名和连接的总线有关系
目前我国还没有自主制造桥的能力

6.2总线接口

信息的传递方式

串行通信
- －串行通信：所谓串行通信就是一条信息的各位数据位在一个
  信道上按照固定的时间长度被逐位按顺序传送的通讯方式称为
  串行通讯。
- 优点：串行通信的成本低，适合远距离传输
  信道之间没有干扰，适合于高频传输
- 缺点：信息率低，需要增加开始、结束、校验等附加的信息位。
- 常常用于USB连接上面。
并行通信
- 并行通信：并行通信就是把一个字符的各数据位用几条传输
  线同时进行传输
- 优点：实际的传输速度快，信息率高。
- 缺点：随着传输距离的增加，电缆开销大
  信道之间干扰大，不适合高频通信
- 常常用于计算机内部，计算机内部也使用了很多的防干扰方式。

总线接口的概念

总线结构又称为I/O接口。

作用一：设备缓冲和锁存。

作用二：把外设的信号进行翻译。

作用三：外设和系统的物理连接。

IO接口的基本结构

I/O地址译码器：外设的信号翻译

数据缓冲器：外设的数据缓冲

控制寄存器（命令寄存器）：让外设启动、关机、启动、

状态寄存器：CPU通过判断状态寄存器里面的状态为来了解当前外设的状态是什么，以打印机为例，究竟打印机是否开机，打印机的状态是否正常良好，打印机的纸墨是否足够

CPU每次只能访问一个寄存器（端口），所以每一个端口分配了一个端口号，是每一个端口的访问地址。

由上可知CPU从来不和外设直接打交道，而是通过I/O接口来简介了解外设设备。

计算机内部能够存储的地点：CPU寄存器，存储器，端口

IO接口的功能

控制功能 能接收来自CPU的控制命令来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备

**缓冲功能 ** 在外围设备和计算机其他部件之间作为一个缓冲器，补偿速度差异

状态功能 监视外围设备的工作状态并保存状态信息，供CPU查询

转化功能 完成任何要求的数据转换，例如串-并变换和并-串变换

程序中断功能 当外围设备请求CPU某种动作时，接口模块能够向CPU发出中断请求信号，例如外围设备完成一次操作或出现一个错误，接口发出中断

复位功能 接口能接收复位信号，使接口本身和外设重启

**错误检查功能 ** 对输入输出的数据进行校验，检查传送中的错误

6.3总线仲裁

6.3.1集中式仲裁（链式查询）

所有设备想要占用总线的话需要发送总线请求，

在总线上面可以发送占用请求，占用过之后可以自动把请求撤掉，如果总线忙的时候

谁离得越近，优先级越高

把N 个设备的接口使用或门连接起来，再用一个公共线送出去，这种结构叫广积式操作（广积操作）。

这样可以大大的节省接口在总线上的数量。

独立请求方式

引入排队器的概念，可以通过排队的方式，先来先得

分布式仲裁

每一个元器件都有一个仲裁号，仲裁号越大越优先，最大的设备将获得总线控制权

6.4总线的定时

6.4.1总线的信息传递步骤

6.4.2定时方式

定时：事件出现在总线上的时序关系。数据传递的几种定时方式是：

同步定时：由统一时序控制数据传送（效率很高）
异步定时：采用应答方式，没有公共时钟标准
半同步定时：同步定时和异步定时结合

同步式数据读操作

首先给出基本盘：对于一个总线周期，以读为例。
主模块发出命令需要占用总线
从模块准备数据不需要占用总线
从模块发出数据占用总线

在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线的公共时钟信号来确定。统一的时钟可以较大的提高传输速率。

在同步方式下，读操作过程：
在第一个时钟周期的上升沿，CPU发出地址。在到第二个时钟周期的上升沿，CPU发出读命令。在到第三个时钟周期的上升沿，内存会内部寻址，把存储单元中的数据送往数据总线。CPU对内存的工作速度心知肚明，就等，经过一个时钟周期，CPU就在数据总线上采样，取走数据，内存要在数据总线撤销数据信号，CPU要在控制总线撤销读信号。要确保数据在传送过程无误，地址信息要在地址总线多保持一个周期，最终才会在地址总线上撤销地址信息，这样就经过一个完整的第四个时钟周期。

同步式数据写操作

在T1的上升沿，CPU发出地址信息，在到T1的下降沿，CPU发送数据到数据总线，再到T2的上升沿，CPU发出写命令信号，这时内存就知道CPU要将一个数据写入内存，于是就从地址总线取走要写入的地址信息，从数据总线取走数据，将数据写到指定的存储单元中。这个过程持续了相当长的过程，经历T2,T3这两个时钟周期，写完后，CPU撤销数据总线的数据信息，及控制总线的写信号。为了确保数据能完整写入内存，地址信息要在地址总线多保持一个时钟周期。最终撤销在地址总线的地址信息。

异步式数据读操作

应答握手式操作，适用于速度相差比较大的设备，但是速度特别慢。

信号一旦确认以后，即可确认。

异步请求的互锁方式

不互锁：模块发出请求信号后，不等待接到从模块的回答信号，而是经过一段时间。确认从模块已收到请求信号后，便撤消其请求信号；从设备接到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并且经过一段时间，确认主设备已收到回答信号后，自动撤消回答信号。可见通信双方并无互锁关系。
半互锁：主模块发出请求信号，待接到从模块的回答信号后再撤消其请求信号，存在着简单的互锁关系：而从模块发出回答信号后，不等待主模块回答，在一段时间后便撤消其回答信号，无互锁关系。故称半互锁方式。
全互锁：主模块发出请求信号，待从模块回答后再撤其请求信号；从模块发出回答信号，待主模块获知后，再撤消其回答信号