计算机组成原理——中央处理器

中央处理器

一、CPU的功能和基本结构

1. 提供的功能

   • 指令控制：完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制
   • 操作控制：一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作
   • 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应有的控制信号
   • 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算
   • 中断处理：对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理

2. 对应

   • 运算器：对数据进行加工
   • 控制器：协调并控制计算机个部件执行程序的指令序列，基本功能包括取指令、分析指令和执行指令
     • 取指令：自动形成指令地址：自动发出取指令的命令
     • 分析指令：操作码译码（分析本条指令要完成什么操作）；产生操作数的有效抵制
     • 执行指令：根据分析指令得到的“操作命令”和“操作数地址”，形成操作信号控制序列，控制运算器、存储器以及I/O设备完成相应的操作
     • 中断处理：管理总线及输入输出，处理异常情况（如掉电）和特殊请求（打印机请求打印一行字符）

3. 基本结构

   运算器

   • 算术逻辑单元（ALU）：主要功能是进行算术/逻辑运算

   • 通用寄存器组：用于存放操作数（包括原操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址

   • 暂存寄存器：可以用于暂存从主存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容

   • 累加寄存器（ACC）：通用寄存器之一，用于暂时存放ALU运算的结果信息，用于实现加法运算

   • 程序状态字寄存器（PSW）：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果二建立的各种状态信息，如溢出标志（OP）、符号标志（SF）、零标志（ZF）、进位标志（CF）等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成

   • 移位器：对运算结果进行移位运算

   • 计数器：控制乘除运算的操作步数

   • 专用数据通路方式：根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排链接线路

     • 性能较高，基本不存在数据冲突现象，但结构复杂，硬件量大，不易实现
     • 如果直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据
       • 方法一：使用多路选择器根据控制信号选择一路输出
       • 方法二：使用三态门可以控制每一路是否输出

   • CPU内部单总线方式：将所有寄存器输入端和输出端都连接到一条公共的通路上

     • 结构简单，容易实现，但数据传输存在较多冲突的现象，性能较低

     • 在使用ALU时，使用暂存寄存器

       

   控制器

   • 程序计数器（PC）：用于指出下一条指令在主存总存放的地址。CPU根据PC的内容去主存中取指令的。因程序中指令（通常）是顺序执行，所以有自增功能

   • 指令寄存器（IR）：用于保存当前正在执行的那条指令

   • 指令译码器（ID）：仅对操作码字短进行译码，向控制器提供特定的操作信号

   • 微操作信号发生器（CU）：根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型

   • 时序系统：用于产生各种时序信号，他们都是由统一时钟（CLOCK）分频得到

   • 存储器地址寄存器（MAR）：用于存放所要访问的主存单元的地址

   • 存储器数据寄存器（MDR）：用于存放向主存写入信息或从主存中读出信息

   

二、指令执行过程

1. 指令周期

   概念：一条指令的执行分为不同的阶段

   CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间

   指令周期=若干个个机器周期（CPU周期）

   机器周期=若干个时钟周期（节拍、T周期、CPU时钟周期），CPU操作的最基本单位

   

   

   流程：

   

2. 数据流

   不同阶段要求一次访问的数据序列

   取指周期——根据PC内容去除指令代码并存放在IR中

   

   间址周期——根据IR中的指令地址码取操作数有效地址

   

   执行周期

   根据IR中的指令字的操作码和操作数通过ALU操作产生执行结果。不同指令的执行周期操作不同，没有统一的数据流向

   中断周期——暂停当前任务去完成其他任务，为了能恢复当前任务，需要保存断点一般用堆栈来保存断点

   进栈用减1，主存从高位向低位扩增分配地址

3. 指令执行方案

   如何安排多条指令的执行

   

三、数据通路的功能和基本结构——基于单总线

数据通路：数据在功能部件之间传送的路径

由控制部件产生的控制信号建立数据通路

基本结构：

• CPU内部单总线方式
• CPU内部多总线方式
• 专用数据通路方式

内部总线：同一部件，如CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线

系统总线：同一台计算机系统的各部件，如CPU、内存、通道和各类I/O接口间互相连接的总线

1. 如何设置部件之间的连接路径

   MDR既要内部交流，又要外部交流，会分配两组输入输出线，MDRin暂时表示从外部输入

   IR与MDR存放的地址码相同

2. 描述指令执行过程中信号和数据在这些路径上的传输

   

   • 专用数据通路方式

   

   OP：操作码字段，译码

   

   

   

   

   

四、控制器的功能和工作原理

​ 控制器——计算机系统的指挥中心

​ 功能：

• 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

• 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作

• 指挥并控制CPU、主存、输入和输出设备之间的数据流动方向

  

1. 硬布线

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

2. 微程序

   

   

   • 基本结构

     

     

   • 格式

     

   • 编码方式

     

     

     

     

     

     

   • 地址形成方式

     

     

     指令=公共部分微指令+对应操作微指令

   • 基本概念

   • 设计方案

     

     

     

     

五、指令流水线

1. 定义

   

   

2. 表示方法

   

3. 性能指标

   

   

   

4. 影响因素

   

   

   

   

   A->after

   

5. 分类

   

   

6. 多发技术