计算机组成原理---CPU的结构和功能

CPU的实质包括运算器和控制器。

 

一旦程序进入存储器后，就可由计算机自动完成取指令和执行指令的任务，控制器就是专用于完成此项任务的，它负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令、执行指令。

 

1、取指令

控制器必须具备能自动的从存储器中取出指令的功能。

 

2、分析指令

其一、分析此指令要完成什么操作，即控制器需发出什么操作命令。

其二、分析参与这次操作的操作数地址，即操作数的有效地址

 

3、执行指令

执行指令就是根据分析指令产生的操作命令和操作数地址的要求，形成操作控制信号序列，通过对运算器、存储器和I/O设备的操作，执行每条指令。

 

 

CPU中的寄存器分为两大类：一类是属于用户可见寄存器；另一类属于控制和状态寄存器；

 

用户可见寄存器：

1、通用寄存器

2、数据寄存器

3、地址寄存器

4、条件码寄存器

 

控制和状态寄存器：

1、MAR：存储器地址寄存器

2、MDR：存储器数据寄存器

3、PC：程序计数器

4、IR：指令寄存器

 

 

控制单元和中断系统

控制单元CU是提供完成计算机全部指令操作的微操作命令序列部件。

 

 

 

 

指令周期

CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期。

包括取指周期和执行周期。

 

一个完整的指令周期包括取指、间址、执行和中断4个自周期，这4个周期又称为CPU的工作周期。

 

 

指令周期的数据流

1、取指周期的数据流

2、间址周期的数据流

3、执行周期的数据流

4、中断周期的数据流

 

 

指令流水

1、提高器件的性能

2、改进系统的结构，开发系统的并行性

 

 

指令流水的原理

把指令的处理流程分为取指令和执行指令两个阶段，在不采用流水技术的计算机里，取指令和执行指令是周而复始的重复出现，各条指令按顺序串行执行的。

 

两条指令重叠，就是指令的二级流水。

 

指令处理过程分解为更细的几个阶段：

1、取指（FI）

2、指令译码（DI）

3、计算操作数地址（CO）

4、取操作数（FO）

5、执行指令（EI）

6、写操作数（WO）

 

 

影响流水线性能的因素

结构相关、数据相关、控制相关

 

结构相关

是当指令在重叠执行过程中，不同指令争用同一功能部件产生资源冲突时产生的，故又有资源相关之称。

 

数据相关

数据相关是流水线中的各条指令因重叠操作，可能改变对操作数的读写访问顺序，从而导致了数据相关冲突。

 

控制相关

主要是由转移指令引起的。

 

 

 

流水线的性能

1、吞吐率

2、加速比

3、效率

 

 

流水线中的多发技术

1、超标量技术

2、超流水线技术

3、超长指令字技术

 

流水线结构

1、指令流水线结构

2、运算流水线

 

 

 

 

 

中断系统

1、引起中断的各种因素

人为设置的中断

程序性事故

硬件故障

I/O设备

外部事件

 

中断请求标记和中断判优逻辑

1、中断请求标记

为了判断是哪个中断源提出了请求，在中断系统中必须设置中断请求标记触发器，简称中断请求触发器，记作INTR。

2、中断判优逻辑

硬件排队

软件排队

 

中断服务程序入口地址的寻找

1、硬件向量法

2、软件查询法

 

 

中断响应

1、响应中断的条件

2、响应中断的时间

3、中断隐指令

保护程序断点

寻找中断服务程序的入口地址

关中断

 

 

中断屏蔽技术

1、多重中断的概念

2、实现多重中断的条件

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

3、屏蔽技术

屏蔽触发器与屏蔽字

屏蔽技术可改变优先等级

屏蔽技术的其他作用

4、多重中断的断点保护