中斷與跳轉操作對指令串的影響

許江寧

常州工程職業技術學院，江蘇常州 213164

中斷與跳轉操作對指令串的影響

許江寧

常州工程職業技術學院，江蘇常州 213164

本文介紹了中斷、跳轉操作對運行中的指令串的影響，首先介紹了CPU指令并行的概念，再說明中斷，跳轉操作對并行運行的指令的影響，介紹了解決這種影響造成的錯誤的方法，主要是說明中斷，跳轉指令的特殊性。

中斷；跳轉；并行運行；取消指令

1 CPU指令并行的概念

觀察CPU執行一條指令，總是可以分成如下兩個階段，首先CPU要從內存中取出需要的指令，即讀指階段，其次根據指令來執行，即執行階段，而執行階段，可以看成兩類較小的微指令的組合，第一類是數據在CPU內各個寄存器間的傳輸，第二類是ALU運算或I/O的輸入輸出，而執行中的步驟也一般就是上面兩步（次序可變），或只有第一步。總體來說，CPU執行一個指令最多可以再細分為第一階段加第二階段的兩個步驟共三步。因此系統執行指令時，可以看成是一條三部分組成的流水線。下圖，是指令串的串行執行。

上面設計的CPU，一次只執行一條指令，一條指令執行三個步驟最少有三個周期。但上面說的三步中，仔細分析，大都是可以并行運行的。例如兩類微指令，第一類只是CPU內部總線上的操作，第二類是I/O或ALU部件的操作，兩類操作在空間上是獨立的，可以同時執行，即并行執行。又如每條指令都要先從內存中讀取，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行。總體來說，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行的方式圖。

2 中斷、跳轉操作對并行運行指令的影響

并行執行指令的結果是同時會處理數條指令，從執行的結果看，他們是順序執行的。如果出現跳轉，中斷類的指令，會造成指令串的改變，本來依次執行，這種改變沒有問題，但如果并行執行，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類的指令，那之后要執行的指令全部要修改，但此時，一定已經預先讀取了某些指令，這些指令屬于原先的指令串，必須要舍去，可以使用EMP空白指令來取代已經讀取的指令，這個指令沒有任何功能。

下圖是取消指令的示意圖，可見需要消去指令1后譯碼階段和執行階段兩個時期讀取的指令。

上面只介紹了改變執行指令地址這一過程的影響，但是，中斷操作（包括軟硬中斷兩種）的要求是處理完中斷，最后還能返回原來正在執行的程序中，這樣CS，IP兩寄存器中的內容就要保存起來。下面討論軟件中斷指令INT，與硬件中斷類似，但更簡單些。對于軟件中斷，被保存的CS，IP的值應該指向INT指令之后的一條指令，但是類似于上段的內容，只有在執行INT兩個周期前的CS，IP才指向INT后的這條指令，而此時已經無法確定CS，IP的指向。有一個理解是過了兩個周期，那CS，IP就應該指向INT后的第三條指令，此時只要把CS，IP減二保存起來就可以了。但是有一個重要的問題是，CPU在運行時，并不是每個周期都是讀取指令的，I/O有時還可能被讀寫內存類的指令所占用，占用時，CS，IP是不變的。以下考察讀寫對I/O的占用情況，并分析這一影響的過程，因為微指令清零后，默認的操作就是讀取指令，那么需要把不是默認情況的未讀取指令的周期標示出來。

分析“讀”，“寫”指令對讀取指令操作的影響時，對號表示此時刻可以讀入指令，叉號表示I/O被占用，無法讀入指令。下圖是“讀”指令的示意圖。

可見讀指令后最多只能連續執行兩個指令，下圖是“寫”指令的示意圖。

寫指令后可以連續執行三個指令。按照上面分析，可能會出“讀，讀，軟中斷”的情況，并且這三者也是連續被讀取，連續執行的，此時，軟中斷后兩個周期內，I/O都是被占用的，那CS，IP根本沒有變化。所以讀取INT指令兩個周期后，CS，IP可能會出現增加4，增加2，不變三種情況。所以此時要通過讀取指令情況，對CS，IP保存的數值進行處理后再保存。

3 對指令串改變的解決方法

上面兩節中已經對解決方法有所涉及，就是將后兩個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EMP指令機器碼的高四位是1111，當需要覆蓋指令時，用1111與目標指令代碼相或，目標代碼就轉化為EMP指令，如果不用覆蓋，就用0000與目標代碼相或，目標代碼不變。

對于輸出正確的地址，主要是一些條件判斷，需要對各種出現矛盾的情況做出處理。

[1]單睿，洪纓，侯朝煥.推斷與推測技術在現代高性能微處理器設計中的應用研究[J].計算機學報，2003（11）.

[2]姬忠寧，陳迅，徐金甫，等.基于指令前綴的專用VLIW壓縮技術研究與實現[J].電子技術應用，2013（4）.

TN2

A

1674-6708（2015）149-0110-02