计组（五）中央处理器

内容根据秦磊华《计算机组成原理》正文及习题和华科大网课及习题整理而来。

知识点整理

cpu的组成与功能

• CPU的组成：
  运算器：数据加工（算数/逻辑运算）
  控制器：程序控制（程序中指令执行顺序控制）、操作控制（将机器指令翻译成执行部件所需要的操作控制信号）、时序控制（操作控制信号的产生时间、持续时间）、异常控制（异常处理、外设交互）
• 控制器包括：操作控制器、指令译码器、时序产生器、中断逻辑、指令寄存器、程序计数器
  
• 控制器的作用：取指令，将指令译码并且生成执行部件控制信号序列，建立正确的数据通路，从而完成指令的正确执行。
• 指令执行过程中会保留当前正在执行的指令地址和下一条指令的地址

数据通路

• 数据通路是执行部件之间信息传递的路径。
• 数据通路分为共享通路（总线型）和专用通路
• 数据通路中的时钟频率（也就是主存）
• 时钟触发之前必须稳定一段时间（建立时间）；时钟触发之后必须稳定一段时间（保持时间）；这两段时间加载一起成为稳定时间
• setup和hold时间出现任何缺少都会导致数据不能在该时钟有效时被打入触发器。
• 时钟触发到输出稳定的时间称为触发器延迟（CLk-to-Q是指时钟有效之后新输入的值稳定出现在输出端所经历的时延）
• 数据通路的最小时钟周期 > Clk_to_Q+关键路径时延+Setup Time
  
• 组合逻辑的关键路径延迟越短，频率越高
• **Clk_to_Q+最短路径时延>Hold_Time**目的是放置寄存器B中保留的数据被破坏
  

数据通路与总线系统结构

• 共享通路（总线型）
  主要部件都连接在公共总线上，各部件间通过总线进行数据传输◆结构简单，实现容易，但并发性较差，需分时使用总线，效率低
• 专用通路
  并发度高，性能佳，设计复杂，成本高可以看做多总线结构
• 总线越多，性能越好

指令周期

• 程序执行的一般流程：取指令PC（++）——指令译码——操作数地址计算——取操作数——数据操作指令执行——操作数地址计算——存操作数——如果有中断回到PC（中断隐指令），原有PC保留到堆栈区
• 时钟周期=节拍脉冲=震荡周期能完成一次微操作
• 机器周期：从主存读出一条指令的最短时间
• 指令周期：从主存取一条指令并执行指令的时间
• 定长指令周期：早期三级时序系统机器周期数固定，节拍数固定，按机器周期同步，mips单周期
• 变长指令周期：现代时序系统
  机器周期数可变，节拍散可变，报时钟周期同步，mips多周期

微程序控制器

• 红色表示指令跳转
• 每一条指令执行完之后，都要回到取指微程序
• 
• 微程序控制器组成原理图
  
• 系统开始上电的时候uAR为0
• 0号地址为取值微程序入口
• 最后一条伪指令判别字段非零，地址跳转
• 微程序的优劣：速度慢、访存频繁、成本低廉；设计规整、设计简单、易于修改、扩展指令系统功能
• X86采用微程序，MIPS使用硬布线控制器
• 硬布线控制器执行速度快，但是设计复杂，代价昂贵
• 微程序适合复杂指令集计算机（CISC）；硬布线控制器适合精简指令集计算机（RISC）

微程序设计

• 
• 一条微指令对应一个时钟周期
• 伪指令操作控制字段的信号

微指令格式

• 改变伪指令长度的方法：
  改直接表示为编码表示（压缩互斥性微指令）
  去掉下址字段，采用uPC=uPC+1的方式生成微指令地址
  改水平型微指令为垂直型微指令（牺牲并行性）
• 改直接表示为编码表示（压缩互斥性微指令）
• 去掉下址字段，采用uPC=uPC+1的方式生成微指令地址
  
• 
  0

课后习题

在做了在做了.jpg