计组-09-CPU

计算机组成原理–09-CPU

前言

• CPU 具体是由 ： 控制器和运算器组成
• 本章总览：

1. 功能和结构

• 具体功能如下：

1. 指令控制

• 完成取指令，分析指令和执行指令的操作

2. 操作控制

• 一条指令往往由若干条操作信号组合实现，CPU把各种操作信号送到相应的部件

3. 时间控制

• 对各种操作加以时间上的控制，时间控制要为每条指令按时间顺序提供控制信号

4. 数据加工

• 对数据进行逻辑和算数运算

5. 中断处理

• 对计算机过程中出现的异常和特殊请求进行处理

2. CPU的基本结构

2.1 运算器

• 运算器收到控制器发送来的命令执行相应的操作
  • 算数逻辑单元（ALU）
  • 暂存寄存器
  • 累加寄存器（ACC）
  • 通用寄存器组
  • 程序状态寄存器（PSW）
  • 移位器
  • 计数器

2.2 控制器

• 控制器有硬布线和微程序控制器两种类型

• 在控制器的控制下，运算器，存储器和输入输出设备才能称为一个整体

• 控制器组成结构

  • 程序计数器 (PC)
  • 指令寄存器 (IR)
  • 指令译码器
  • 存储器地址寄存器（MAR）
  • 存储器数据寄存器 (MDR)
  • 时序系统
  • 微操作信号发生器

  

2.3 小结

• 将运算器和控制器合到一张图上

• CPU 从逻辑上看由四大模块组成

3. 指令的执行过程

• CPU 从主存中取出并且执行一条指令的时间叫做指令周期
• 一个指令周期可能含有若干个时钟周期，时钟周期是CPU操作的最基本的时间单位

• 有以下几种指令周期
  • 取指周期
  • 间址周期
  • 执行周期
  • 中断周期

• 指令周期执行的流程

3.1 取址周期

3.2 间址周期

3.3 执行周期

• 下文内容将详细介绍

3.4 中断周期

注意：指令执行的方案有如下几种方式

• 单指令周期
• 多指令周期
• 流水线方案 ： 指令之间可以并行的执行

4. 数据通路

4.1 数据通路的功能

• 数据在功能部件之间传送的路径被叫做是数据通路，路径上的部件称为数据通路部件

4.2 数据通路的结构

• 单总线方式 ： 所有的寄存器的输入输出端都连接到一条公共通路上，存在冲突的现象
• 内部三总线方式 ： 连到不同的数据通路上
• 专用数据通路方式 ： 根据流动方向安排专用线路

下面以单总线为例子：注意数据的流向

• 寄存器之间的数据传送
• 主存和CPU之间的数据传送
• 执行算数逻辑运算

5. 控制器的功能和工作原理

• 控制器是计算机系统的指挥中心，控制器的主要功能有：
  • 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
  • 对指令进行译码或者测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的操作
  • 指挥并控制CPU，主存，输入和输出设备之间的数据流动方向

5.1 硬布线控制器

• 首先对操作的指令进行译码的操作，指令的操作码决定了的那个了不同指令所需要完成的控制信号
• 时序系统产生的机器周期信号和节拍信号。
• 来自执行单元的反馈信息即标志。

5.2 微程序控制器

• 微程序控制器采用存储逻辑进行实现，将微操作进行代码话
  • 设计思想：每条机器指令编写成一个微程序，每个微程序包含若干条指令
  • 目前，大多数的计算机都采用微程序的设计控制
• 微操作是计算机中最基本的，不可再分解的操作。
• 微命令是构成控制序列的最小单元，微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的执行过程。

• 微指令的操作格式

• 微指令的编码方式

概念小结：

6. 指令流水线

• 流水线技术只需要增加少量的硬件就能把计算机的运算速度提升几倍
• 目前是计算机中普通使用的并行处理技术

1. 指令流水的定义

2. 不同指令执行方式的处理时间

• 顺序执行

• 一次重叠方式

• 二次重叠方式

2. 时空图

3. 流水线的性能指标

• 吞吐率