机组 CPU

控制器：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、分析指令和执行指令

功能

CPU 必须具有控制程序的顺序执行（指令控制）、产生完成每条指令所需的控制命令（操作控制）、对各种操作加以时间上的控制（时间控制）、对数据进行算术运算和逻辑运算（数据加工）以及处理中断等能力

取指令

控制器必须具备自动地从存储器中取出指令的功能

要求控制器能自动形成指令的地址，并能发出取指令的命令，将对应此地址的指令取到控制器中

第一条指令的地址可以人为指定，也可由系统设定

分析指令

1.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

2.分析参与这次操作的操作数地址，即操作数的有效地址

执行指令

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、存储器以及 I/O 设备的操作，执行每条指令

控制器必须能控制程序的输入和运算结果的输出以及对总线的管理，甚至能处理机器运行过程中出现的异常情况和特殊请求，即处理中断的能力

结构框图

CPU 的寄存器

指令周期

每个指令周期内机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数（时钟周期）也可以不等

基本概念

指令周期：CPU 每取出并执行一条指令所需的全部时间，即 CPU 完成一条指令的时间

取指周期：取指阶段完成取指令和分析指令的操作

执行周期：执行阶段完成执行指令的操作

由于各种指令操作功能不同，故各种指令的指令周期不相同

取指、间址、执行和中断 4 个周期都有 CPU 访存操作，但是目的各不相同

取指周期，为了取指令

间址周期，为了取有效地址

执行周期，为了取操作数

中断周期，为了保存程序断点

FE、IND、EX、INT 分别对应取指、间址、执行、中断 4 个周期，“1”状态表示有效

CPU 区分指令和数据的依据：

• 取指令（取指周期）或数据（执行周期）时所处的机器周期不同
• 取指令（程序计数器 PC）或数据（地址形成部件）时地址来源不同

数据流

取指周期的数据流

PC 存放现行指令的地址，该地址送到 MAR 并送至地址总线，控制部件 CU 向存储器发读命令，对应 MAR 所指单元的内容（指令）经数据总线送至 MDR，再送至 IR，CU 控制 PC 内容+1，形成下一条指令的地址

间址周期的数据流

一旦取值周期结束，CU 便检查 IR 中的内容，以确定其是否有间址操作，如果需要，则 MDR 中指示形式地址的右 N 位（Ad(MDR)）将被送到 MAR，又送至地址总线，此后 CU 向存储器发读命令，以获取有效地址并存至 MAR

执行周期的数据流

不同指令在执行周期的操作不同，故执行周期的数据流是多种多样的

中断周期的数据流

CPU 进入中断周期要完成一系列操作，其中 PC 当前的内容必须保存起来，以待执行完中断服务程序后可以准确返回到该程序的间断处

CU 把用于保存程序断点的存储器特殊地址送往 MAR ，并送到地址总线上，后由 CU 向存储器发出写命令，并将 PC 的内容（程序断点）送到 MDR，使程序断点经数据总线存入存储器。CU 还将中断服务程序的入口地址送至 PC，为下一个指令周期的取值周期做好准备

指令流水

流水线性能

吞吐率

定义：单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量

加速比 >1

定义：指 m 段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比

效率

定义：指流水线中各功段的利用率