CPU组成与流水线设计——嵌入式第二章课后习题

1简叙述CPU的组成和各个部件的功能

CPU由运算器，控制器和存储器所组成

CPU是计算机的核心部件，主要由控制器和运算器组成，同时还包括一些辅助部件。

1. 控制器：控制器是CPU的指挥中心，负责协调和管理计算机各部件的操作。它从内存中读取指令，并根据时钟信号按照一定步骤控制指令的执行。控制器主要包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序部件、操作控制部件和中断机构等部分。
2. 运算器：运算器是CPU中进行算术和逻辑运算的部件，主要包含算术逻辑单元（ALU）和累加器等部分。ALU负责执行算术和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法等数学运算，以及与、或、非、异或等逻辑运算。累加器是一种专用寄存器，用于存放供ALU使用的操作数或运算结果。
3. 寄存器：寄存器是CPU中的一种辅助部件，用于暂存和处理数据和指令。CPU中有多种类型的寄存器，如通用寄存器、程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）等，它们在数据处理和控制流程中起到重要作用。
4. 数据通路：数据通路是连接控制器、ALU和寄存器等部件的数据传输路径。它通过数据总线、地址总线和控制总线实现不同部件之间的数据传递和控制信号的传输。
5. 缓存：缓存是CPU中的一种高速存储器件，用于临时存储频繁使用的数据和指令，以提高数据读取和写入速度。
6. 总线接口：总线接口负责处理CPU与其他设备之间的数据传输和通信。它支持数据总线、地址总线和控制总线的连接和传输。

以

上是CPU的主要组成部件及其功能。这些部件协同工作，使计算机能够高效地执行各种任务。

CPU内部寄存器根据其功能和用途大致可分为以下几类：

1. 指令寄存器（Instruction Register, IR）：用于存放当前正在执行的一条指令。
2. 程序计数器（Program Counter, PC）：指出下一条将要执行的指令在主存储器中的地址。
3. 地址寄存器（Address Register, AR）：用于保存CPU当前所访问的主存单元的地址。
4. 数据寄存器（Data Register, DR）：又称数据缓冲寄存器，主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站，用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异。
5. 通用寄存器（General Purpose Register, R0~Rn）：如AX、BX、CX、DX、AH/AL、BH/BL、CH/CL、DH/DL等，为运算器提供一个工作区，暂时保存操作数或运算结果，还可以用作地址指示器、变址寄存器、堆栈指示器等。
6. 程序状态字寄存器（Program Status Word, PSW）：用于保存当前各种运算状态条件，以及程序的工作方式。

这些寄存器在计算机体系结构中扮演着重要角色，它们能够提高计算机系统的性能和效率，使得计算机能够更快地处理数据和执行任务。

CPU性能公式主要考虑以下几个因素：

1. 时钟频率：单位时间内震荡的次数，是衡量CPU性能的重要指标。
2. CPI（每条指令的时钟周期数）：表示执行某个程序时每条指令所需要的时钟周期平均数，是衡量CPU执行效率的指标。
3. 指令数：执行某程序所需要的总指令数。

CPU性能公式为：CPU时间=指令数*CPI*时间周期时间 或 CPU时间=指令数*CPI/时钟频率。

该公式对CPU设计的指导作用主要体现在以下几个方面：

1. 提高时钟频率：加快CPU工作节奏，从而提高整体性能。
2. 优化CPI：通过减少指令的复杂性和精简指令集等方法，降低CPI，提高CPU执行效率。
3. 减少指令数：通过优化算法和代码，减少程序所需的指令数，从而减少CPU工作量。
4. 优化存储部分：利用局部性原理，通过缓存机制和优化存储管理，减少CPU访问主存的次数，提高整体性能。

总之，CPU性能公式可以用来评估和优化CPU性能，指导CPU设计者更好地进行性能优化和功能改进。

设机器A的CPU主频位8MHZ，机器周期（即其流水线每阶段的时间）含有4个时钟周期，且该机的平均指令执行速度为0.4MIPS,求该机器的平均指令周期和机器周期，每条指令周期中含有几个机器周期？如果机器B的CPU主频为12mhz，且机器周期也含有4个时钟周期，问机器B的平均指令执行速度为多少

我们有两个机器A和B。机器A的CPU主频是8MHZ，而机器B的CPU主频是12MHZ。
我们需要找出机器A和机器B的平均指令周期、机器周期以及每条指令周期中含有的机器周期数。

1. 主频（MHz）表示每秒震荡的次数，所以机器A的主频是8×10^6次/秒，机器B的主频是12×10^6次/秒。
2. MIPS（Million Instructions Per Second）表示每秒执行的百万条指令。
3. 机器周期是流水线每阶段的时间，对于机器A和机器B都是4个时钟周期。

根据题目，我们可以建立以下关系：

1. 机器A的平均指令周期 = 主频 / 平均指令执行速度
2. 机器A的机器周期 = 4 × 主频
3. 每条指令周期中含有的机器周期数 = 机器周期 / 平均指令周期
4. 机器B的平均指令执行速度 = 主频 / (机器周期 × 平均指令周期)

对于机器A：
平均指令周期是 20 秒。
每条指令周期中含有 32 个机器周期。

对于机器B：
如果我们假设机器A和机器B的平均指令执行速度相同，那么机器B的平均指令执行速度是 2.4 MIPS。

流水线定义：把一条指令的执行过程分为若干个阶段，每个阶段由相应的功能部件去完成，指令执行过程中，在不影响系统计算过程的情况下使各个操作阶段重叠，实现几条指令的并行处理。从而提高指令的吞吐率。

流水线的分类：单功能流水线，多功能流水线。静态流水线，动态流水线，部件流水线，指令流水线，处理机流水线。