許江寧

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164

中斷與跳轉(zhuǎn)操作對(duì)指令串的影響

許江寧

常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164

本文介紹了中斷、跳轉(zhuǎn)操作對(duì)運(yùn)行中的指令串的影響，首先介紹了CPU指令并行的概念，再說(shuō)明中斷，跳轉(zhuǎn)操作對(duì)并行運(yùn)行的指令的影響，介紹了解決這種影響造成的錯(cuò)誤的方法，主要是說(shuō)明中斷，跳轉(zhuǎn)指令的特殊性。

中斷；跳轉(zhuǎn)；并行運(yùn)行；取消指令

1 CPU指令并行的概念

觀察CPU執(zhí)行一條指令，總是可以分成如下兩個(gè)階段，首先CPU要從內(nèi)存中取出需要的指令，即讀指階段，其次根據(jù)指令來(lái)執(zhí)行，即執(zhí)行階段，而執(zhí)行階段，可以看成兩類較小的微指令的組合，第一類是數(shù)據(jù)在CPU內(nèi)各個(gè)寄存器間的傳輸，第二類是ALU運(yùn)算或I/O的輸入輸出，而執(zhí)行中的步驟也一般就是上面兩步（次序可變），或只有第一步?？傮w來(lái)說(shuō)，CPU執(zhí)行一個(gè)指令最多可以再細(xì)分為第一階段加第二階段的兩個(gè)步驟共三步。因此系統(tǒng)執(zhí)行指令時(shí)，可以看成是一條三部分組成的流水線。下圖，是指令串的串行執(zhí)行。

上面設(shè)計(jì)的CPU，一次只執(zhí)行一條指令，一條指令執(zhí)行三個(gè)步驟最少有三個(gè)周期。但上面說(shuō)的三步中，仔細(xì)分析，大都是可以并行運(yùn)行的。例如兩類微指令，第一類只是CPU內(nèi)部總線上的操作，第二類是I/O或ALU部件的操作，兩類操作在空間上是獨(dú)立的，可以同時(shí)執(zhí)行，即并行執(zhí)行。又如每條指令都要先從內(nèi)存中讀取，這是I/O部件的操作，除了與讀寫類指令的讀寫操作有矛盾，也可以與其他操作并行執(zhí)行?？傮w來(lái)說(shuō)，三部分間還是有較大的并行空間，下圖是理想狀況下指令串并行執(zhí)行的方式圖。

2 中斷、跳轉(zhuǎn)操作對(duì)并行運(yùn)行指令的影響

并行執(zhí)行指令的結(jié)果是同時(shí)會(huì)處理數(shù)條指令，從執(zhí)行的結(jié)果看，他們是順序執(zhí)行的。如果出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，中斷類的指令，會(huì)造成指令串的改變，本來(lái)依次執(zhí)行，這種改變沒(méi)有問(wèn)題，但如果并行執(zhí)行，一條指令先需要取指，再譯碼指令，只有到了譯碼階段，CPU才能知道讀到了一條跳轉(zhuǎn)類的指令，那之后要執(zhí)行的指令全部要修改，但此時(shí)，一定已經(jīng)預(yù)先讀取了某些指令，這些指令屬于原先的指令串，必須要舍去，可以使用EMP空白指令來(lái)取代已經(jīng)讀取的指令，這個(gè)指令沒(méi)有任何功能。

下圖是取消指令的示意圖，可見(jiàn)需要消去指令1后譯碼階段和執(zhí)行階段兩個(gè)時(shí)期讀取的指令。

上面只介紹了改變執(zhí)行指令地址這一過(guò)程的影響，但是，中斷操作（包括軟硬中斷兩種）的要求是處理完中斷，最后還能返回原來(lái)正在執(zhí)行的程序中，這樣CS，IP兩寄存器中的內(nèi)容就要保存起來(lái)。下面討論軟件中斷指令I(lǐng)NT，與硬件中斷類似，但更簡(jiǎn)單些。對(duì)于軟件中斷，被保存的CS，IP的值應(yīng)該指向INT指令之后的一條指令，但是類似于上段的內(nèi)容，只有在執(zhí)行INT兩個(gè)周期前的CS，IP才指向INT后的這條指令，而此時(shí)已經(jīng)無(wú)法確定CS，IP的指向。有一個(gè)理解是過(guò)了兩個(gè)周期，那CS，IP就應(yīng)該指向INT后的第三條指令，此時(shí)只要把CS，IP減二保存起來(lái)就可以了。但是有一個(gè)重要的問(wèn)題是，CPU在運(yùn)行時(shí)，并不是每個(gè)周期都是讀取指令的，I/O有時(shí)還可能被讀寫內(nèi)存類的指令所占用，占用時(shí)，CS，IP是不變的。以下考察讀寫對(duì)I/O的占用情況，并分析這一影響的過(guò)程，因?yàn)槲⒅噶钋辶愫?，默認(rèn)的操作就是讀取指令，那么需要把不是默認(rèn)情況的未讀取指令的周期標(biāo)示出來(lái)。

分析“讀”，“寫”指令對(duì)讀取指令操作的影響時(shí)，對(duì)號(hào)表示此時(shí)刻可以讀入指令，叉號(hào)表示I/O被占用，無(wú)法讀入指令。下圖是“讀”指令的示意圖。

可見(jiàn)讀指令后最多只能連續(xù)執(zhí)行兩個(gè)指令，下圖是“寫”指令的示意圖。

寫指令后可以連續(xù)執(zhí)行三個(gè)指令。按照上面分析，可能會(huì)出“讀，讀，軟中斷”的情況，并且這三者也是連續(xù)被讀取，連續(xù)執(zhí)行的，此時(shí)，軟中斷后兩個(gè)周期內(nèi)，I/O都是被占用的，那CS，IP根本沒(méi)有變化。所以讀取INT指令兩個(gè)周期后，CS，IP可能會(huì)出現(xiàn)增加4，增加2，不變?nèi)N情況。所以此時(shí)要通過(guò)讀取指令情況，對(duì)CS，IP保存的數(shù)值進(jìn)行處理后再保存。

3 對(duì)指令串改變的解決方法

上面兩節(jié)中已經(jīng)對(duì)解決方法有所涉及，就是將后兩個(gè)周期讀取的指令取消掉，具體做法是用EMP指令覆蓋這些指令。觀察指令集表，可見(jiàn)EMP指令機(jī)器碼的高四位是1111，當(dāng)需要覆蓋指令時(shí)，用1111與目標(biāo)指令代碼相或，目標(biāo)代碼就轉(zhuǎn)化為EMP指令，如果不用覆蓋，就用0000與目標(biāo)代碼相或，目標(biāo)代碼不變。

對(duì)于輸出正確的地址，主要是一些條件判斷，需要對(duì)各種出現(xiàn)矛盾的情況做出處理。

[1]單睿，洪纓，侯朝煥.推斷與推測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代高性能微處理器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2003（11）.

[2]姬忠寧，陳迅，徐金甫，等.基于指令前綴的專用VLIW壓縮技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013（4）.

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1674-6708（2015）149-0110-02