计算机组成原理——第五章CPU

CPU的基本组成

• 控制器 完成对整个计算机系统操作的协调与指挥。

(1) 控制机器从内存中 取出一条指令 ，并指出下一条指令在内存中的位置；

(2) 对指令进行 译码 ，并 产生相应的操作控制信号 ，送往相应的部件，启动 规定的动作；

(3) 指挥并控制CPU、内存与输入/输出（I/O）设备之间数据 流动的方向

• 运算器 是数据加工处理部件，所进行的全部操作由控制器发出的控制信号 指挥

(1)执行所有的算术运算；

(2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试

1-3 控制器，4运算器

CPU 中的主要寄存器

1.

数据缓冲寄存器（DR）

暂时存放由内存读出或写入的指令或数据字

2.

指令寄存器（IR）

保存当前正在执行的一条指令

3.

程序计数器（PC）

确定下一条指令的地址

4.

地址寄存器（AR）

保存当前CPU所访问的内存单元的地址

5.

累加寄存器（AC）

最常使用的一个通用寄存器

6.

状态条件寄存器（PSW）

保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码

运算器：

控制器

（单总线）

---

分析指令阶段

中断周期（堆栈保存断点）

---

5.3.1 时序信号的作用和体制

计算机的协调动作需要时间标志，而且需要采用多级时序体制。而时间标志则 用 时序信号 来体现。

硬布线控制器 中，时序信号往往采用 主状态周期-节拍电位-节拍脉冲 三级体制。

• 主状态周期（指令周期）： 包含若干个节拍周期，可以用一个触发器的状态持 续时间来表示

• 节拍电位（机器周期）： 表示一个 CPU 周期的时间，包含若干个节拍脉冲

• 节拍脉冲（时钟周期）： 表示较小的时间单位

微程序控制器 中，时序信号则一般采用 节拍电位-节拍脉冲 二级体制。

 

控制不同操作序列时序信号的方法

1. 同步控制方式

已定的指令在执行时所需的 CPU 周期（机器周期）数和时钟周期数 都固定不变。例如采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令

2. 异步控制方式

控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发“回 答”信号，再开始新的操作

3. 联合控制方式

同步控制和异步控制相结合的方式

---

硬布线控制器：组合逻辑

微程序控制器：存储逻辑，将指令变成一个个机器能执行的命令，组成微程序

---

流水线中存在一些 相关 ( 冲突 、 冒险Hazard ， 相关 、 依赖Dependence ， 竞争 Competition )的情况，它使得下一条指令无法在设计的时钟周期内执行。这 些相关将降低流水线性能

⚫ 主要有三种类型的相关（冲突）

– 结构相关（资源冲突） ：当指令重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求

– 数据相关（数据冲突） ：在同时执行的多条指令中，一条指令依赖前一条指令的执行结果

(数据)却无法得到

– 控制相关（控制冲突） ：流水线遇到分支指令或其他改变PC值的指令