计算机组成原理——中央处理器CPU 2

1. 数据通路

概念

计算机系统中，各个部件通过数据总线连接形成的数据传送路径。

举例

模型机的数据通路

现在需要实现指令：ADD R0,(R1)

即：取出R0中的数据，将R1中的数据作为地址，从存储器中取出数据，分别送入X和Y，通过ALU进行加法运算后结果送至R0。

①R0→X：R0out、G、Xin；
②R1→Y：R1out、G、ARin、R、DRout、G、Yin
③+：+ ;
④ALU→R0：ALUout、R0in。

2. 指令周期

2.1 基本概念

时钟周期

处理操作的最基本单位。也称为节拍脉冲或者T周期。

机器周期

也称为CPU周期。每个机器周期内完成一个基本操作，一般机器的CPU周期包括取指周期、取数周期和执行周期几种。

1机器周期 = 4时钟周期

指令周期

一条指令执行所需要的时间。包含若干机器周期。指令周期= n × 机器周期。

2.2 指令的执行过程举例

【举例】ADD R0,(R1)指令的执行过程

（1）取指令：

①指令地址送地址总线：PC→AB；
②发访存命令：AB →M ，R/W#=R；
③指令送IR： M →DB，DB →IR；
④程序计数器+1：PC+1。

（2）取操作数：

①R1经ALU送AR：R1→ALU、LOD，ALU →DB、 DB →AR；
②发访存命令：AR →AB 、AB →M、R；
③存储器数送DR：M →DB、DB →DR。

（3）加法操作：

①数据送ALU进行加法：DR→ALU、R0 →ALU、+；
②ALU送R0：ALU →DB、DB →DR 、DR →R0。

3. 控制信号的产生方式

3.1 微程序控制

3.2 硬布线控制

4. 指令流水

4.1 顺序与流水

顺序与流水

顺序：

一条指令中有4个阶段，顺序执行n条指令需要4nT的时间。

可以看出，取指与计算地址不是在一个部件中执行，因此可以并行进行。

流水：

4.2 流水的指标

吞吐率 每秒钟执行指令的条数。

加速比 采用流水线后，吞吐率与无流水线时吞吐率比值。

【举例】设流水线有K个过程，执行n条指令

若有标量流水，则执行n条指令时间为：Tk = (n+K-1)T

若为顺序执行，则执行n条指令时间为：T1 = nKT

加速比 = 采用流水线后每秒执行指令数/顺序执行每秒执行指令数=(n/Tk)/(n/T1) = T1/Tk