计算机组成原理学习（哈工大视频）第八章 CPU的结构和功能

8.1CPU的结构
CPU需要完成什么功能 ，进而决定需要什么结构来完成这些功能，进而决定采用什么结构
CPU的功能：控制器的功能（取指令；分析指令；执行指令，发出各种的操作命令；控制程序的输入和结果的输出；总线的管理；处理异常情况和特殊情况；）和运算器的功能（实现算术运算和逻辑运算）
根据CPU所需的功能，则CPU要能够有：指令控制，操作控制，时间控制，处理中断，数据加工
CPU结构框图：
CPU与系统总线：控制总线和数据总线是双向的，地址总线是单向的，从CPU到存储；PC（程序计数器），IR（指令寄存器），CU（控制单元），ALU（算术逻辑单元）

CPU的寄存器：
用户可见寄存器（通用寄存器，用来存放操作数，也可作为某种寻址方式所需的专用寄存器；数据寄存器，用来存放操作数，满足各种数据类型，或者两个寄存器拼接存放双倍字长的数据；地址寄存器，用来存放地址，其位数应满足最大的地址范围，用于特殊的寻址方式，段基值，栈指针；条件码寄存器，用来存放条件码，可做为程序分支的依据，如正、负、零、溢出、进位等）
控制和状态寄存器：

存放程序状态字：在程序中断或者子程序调用的过程中，为了程序能够正确返回断点，且返回断点后还能够接着执行所给的程序，那么在中断或者转向子程序之前，保存程序的运行现场和断点，包括程序运行的软件信息和硬件信息，这些信息保存在寄存器中，这些状态的寄存器有些能够通过指令进行读写，有些不能。为了完成程序现场和程序断点的保存，就把计算机的软硬件相关的寄存器集合成了一个大的寄存器，称其为程序状态字。
控制单元CU和中断系统：CU，产生全部指令的微操作命令序列，其设计方法为组合逻辑设计（硬连线逻辑，速度快）和微程序设计（存储逻辑，采用复杂指令集系统，第十章），中断系统（第八章第四节）
ALU（第六章内容）
8.2指令周期：取出并执行一条指令所需的全部时间
控制单元CU要完成指令的解释的全部过程，包括从内存中取指令，分析指令，执行指令，写回结果

每条指令的指令周期不同：

具有间接寻址的指令周期：

带有中断周期的指令周期：

指令周期的流程：

CPU工作周期的标志：CPU访存有四种性质：

指令周期的数据流：
取指周期数据流：

间址周期数据流：

执行周期数据流：不同的指令的执行周期数据流不同，在第九章介绍
中断周期数据流：

8.3指令流水
8.3.1如何提高机器速度
提高访存速度（高速芯片、Cache、多体并行），提高I/O 和主机之间的传送速度（中断、DMA、通道、I/O 处理机、多总线），提高运算器速度（高速芯片、改进算法、快速进位链），提高整机处理能力（高速器件，改进系统结构，开发系统的并行性）
8.3.2系统的并行性
并行的概念 ：并发（两个或两个以上的事件在同一时间段发生）和同时（两个或两个以上的事件在同一时刻发生，时间上相互重叠）
并行性的等级：过程级（程序、进程），是粗粒度的，使用软件实现；指令级（指令之间，指令内部），是细粒度的，需要使用硬件实现。
8.3.3指令流水原理


指令的六级流水：FI（取指令）DI（指令译码）CO（形成操作数的地址）FO（取操作数）EI（执行）WO（结果写回）

影响指令流水线性能的因素：

解决办法：停顿；指令存储器和数据存储器分开；指令预取技术（适用于访存周期短的情况）；

解决办法：后推法；采用旁路技术；


流水线的性能：
吞吐率（单位时间内流水线所完成的指令或输出结果的数量），设 m 段的流水线各段时间为△t，则最大吞吐率（一段时间内没有冲突，条件跳转）=1/△t，实际吞吐率（连续处理 n 条指令的吞吐率为）=n/（m*△t+（n-1）△t）；
加速比Sp（采用流水线技术和不采用流水线技术的所需时间的比率）：m 段的流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比，设流水线各段时间为△t，则完成 n 条指令在m 段流水上共需要T=m△t+（n-1）△t，完成n 条指令在等效的非流水线上所需时间为nm△t，故Sp=nm/(m+n-1）
效率（流水线中硬件的使用率）：流水线中各功能段的利用率，由于流水线有建立时间和排空时间，因此各功能段的设备不可能一直处于工作状态；

流水线的多发技术：IF（取指）ID（译码）EX（执行）WR（写回）



流水线结构：


8.4中断系统
8.4.1概述
引起中断的各种因素：人为设置的中断（如专管指令），程序性事故（溢出、操作码不能识别、除法非法）、硬件故障、I/O设备、外部事件（使用键盘中断现行程序）
中断系统需要解决的问题：各中断源如何向CPU提出请求？各中断源同时提出请求怎么办？CPU什么条件、什么时间、以什么方式相应中断？如何保护现场？如何寻找入口地址？如何恢复现场，如何返回？处理中断的过程中又出现新的中断该怎么办？
8.4.2中断请求标记和中断判优逻辑


8.4.3中断服务程序入口地址的寻找（如何找到中断服务程序的入口地址？知道了要响应的中断源，才能确定要执行哪个中断服务程序）


8.4.4中断响应（CPU在什么时间、什么条件下响应中断？CPU在任何条件下都要立即响应中断吗？CPU在任何时间都能响应中断吗？）
响应中断的条件（允许中断触发器 EINT=1）；
响应中断的时间（指令执行周期结束时刻由CPU发查询信号）

中断隐指令（若需要某个中断请求，CPU如何响应中断请求？响应中断，要去执行中断服务程序，为将来的中断返回做准备，既保护程序断点，保护程序运行软硬件状态）：单重中断执行过程中，不允许中断被新的中断打断，即使在多重中断过程中，也不允许优先级低的中断打断优先级高的中断

8.4.5保护现场和恢复现场

8.4.6多重中断（如果在执行中断服务程序的过程中，出现了更重要的，需要及时处理的新事件，如何反应？）
多重中断的概念：CPU在执行中断服务程序的过程中，如果有新的中断源，提出了新的中断请求，并且新的中断源比正在处理的中断源的优先级高，则执行新的中断源

实现多重中断的条件（要允许CPU在执行某个中断服务程序时，响应新的中断请求）：提前设置开中断指令，优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源；

中断屏蔽技术：通过设置中断屏蔽字，来改变中断服务的优先级，从而提高系统的设计和相应的灵活性，其作用使中断源无法不能向CPU提出中断服务请求，也不能参加中断优先排队器排队。

屏蔽字

屏蔽技术可以改变处理优先等级：响应优先级，是硬件固定的，不可改变，处理的优先级，可以通过屏蔽字，改变处理的优先级

屏蔽技术可以改变处理的优先等级：


屏蔽技术的其他应用：可以人为的屏蔽某个中断源的请求
新屏蔽字的设置：

多重中断的断点保护：断点进栈（中断隐指令完成）；断点存入“0”地址（中断隐指令完成）；
中断周期：

程序断点存入“0” 地址的断点保护