【计算机组成原理-chapter5】中央处理器

1. CPU的功能和基本结构

1.1 CPU的功能

1.2 CPU的组成

CPU由运算器和控制器组成。

1.2.1 运算器的基本组成

1. 算术逻辑单元(ALU)：主要功能是进行算术/逻辑运算
2. 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、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。
   通用寄存器与ALU的连接有两种：
   

注意：

1. 总线有内部总线和系统总线之分。内部总线指在CPU内部的总线，系统总线指在CPU外的总线。
2. 采用内部总线则ALU的端口要设置暂存寄存器，若采用专用数据通道的方式则ALU端口要设置多路选择器或者三态门。

3. 累加寄存器：它是一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果信息，用于实现加法运算。
4. 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而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
5. 移位器：对运算结果进行移位运算。
6. 计数器：控制乘除运算的操作步数。

1.2.2 控制器的基本组成

1.2.3 CPU的总图

1.2.4 小结

2. 指令执行过程

2.1 指令周期

注意：

1. 时钟周期组成机器周期，而机器周期组成指令周期。
2. 每个指令周期包含的机器周期数可以不同，而每个机器周期包含的时钟周期数也可以不同。
3. 时钟周期是CPU操作最基本的单位。

2.2 指令的执行流程

* 指令的执行流程有4步：1. 取指周期2. 间址周期(取操作数的有效地址)3. 执行指令(取操作数)4. 中断周期

2.2.1 取指周期

注意：进行访存操作时，是MAR先通过地址总线将地址给存储器。然后, CU再通过控制总线发出读写信号，最后将数据放入MAR.

2.2.2 间址周期(取操作数的有效地址)

2.2.3 执行周期

不同的指令，执行情况肯定不同，因此执行周期没有统一的流向。

2.2.4 中断周期

2.3 指令执行方案

2.4 小结

3. 数据通路

3.1 基于CPU内部总线的数据通路(单总线/多总线)

注意：每条总线，在某一时刻总线只能传送一个数据。

例题：

3.2 基于专用数据通路的数据通道

练习：

3.3 小结

4. 控制器的功能和原理

4.1 控制器的结构和功能

4.2 控制器的设计

* 设计控制器中CU的2种方案1. 硬布线控制器(采用纯硬件的方式)* 缺点：1. 指令越多，设计和实现就越复杂，因此一般用于RISC（精简指令集系统）2. 如果扩充一条新的指令，则控制器的设计就需要大改，因此扩充指令较困难。* 优点：1. 由于使用纯硬件实现控制，因此执行速度很快。微操作控制信号由组合逻辑电路即时产生。2. 微程序控制器(采用软件和硬件结合的方式)* 缺点：1. 速度慢* 优点：1. 容易扩充指令，较容易实现，适用于SISC系统(复杂指令集系统)

4.2.1 硬布线控制器(采用纯硬件的方式，即组合逻辑电路)

4.2.1.1 硬布线控制器的组成

硬布线控制器的组成如下图所示：

4.2.1.2 硬布线控制器的控制单元的设计

控制器的控制单元(CU)的设计步骤：

第一步：分析每个阶段的微操作序列

第二步：选择CPU的控制方式

采用定长指令周期或不定长指令周期。这里采用定长指令周期。

第三步：安排微操作时序

这里每个周期都安排三个节拍。

第四步：电路设计

会根据操作时间表写出微操作的逻辑表达式就行，比如下面：

4.2.2 微程序控制器(采用软件和硬件结合的方式，即微程序)

4.2.2.1 微程序控制器结构与工作原理

注意：

1. 微程序控制器中，每条指令对于一个微程序，而一个微程序由若干个微指令组成，每个微指令表明一个节拍/时钟周期内做什么事情。
2. 微命令就是微操作，一个节拍内包含若干个微操作。
3. 微程序的分类：
   

注意：一个高频考点：

4.2.2.2 小结

4.2.2.3 微指令的设计

4.2.2.3.1 微指令格式与编码方式

例题：

4.2.2.3.2 小结

4.2.2.4 微程序控制器的控制单元的设计

第一步：分析每个阶段的微操作序列

第二步：写出对应机器指令的微操作命令及节拍安排

第三步：确定微指令格式

根据微操作个数决定采用何种编码方式，以确定微指令的操作控制字段的位数。
根据CM中存储的微指令总数，确定微指令的顺序控制字段的位数。
最后按操作控制字段位数和顺序控制字段位数就可确定微指令字长。

第四步：编写微指令码点

小结

4.2.3 硬布线控制器 vs 微程序控制器

5. 指令流水线

5.1 指令流水线的基本概念

注意：CISC可以采用指令流水线技术和非流水线技术，但是，RISC都采用流水线技术。所以，下面的指令流水线的学习中默认都是CISC指令系统。

5.1.1 指令流水的定义

指令流水指的是指令连续执行。而指令连续执行的方式主要有如下3种：

5.1.2 指令流水的2种表示方式

5.1.3 流水线的性能指标

* 流水线的性能指标1. 吞吐率2. 加速比3. 效率

5.1.4 机器周期的设置

5.2 指令流水线影响因素

5.2.1 影响流水线的因素

* 影响流水线的因素1. 结构相关（资源冲突）2. 数据相关（数据冲突)3. 控制相关（控制冲突）

5.2.2 小结

5.3 流水线的分类

5.4 流水线的多发技术

* 流水线的多发技术1. 超标量技术2. 超流水线技术3. 超长指令字

5.5 小结

6. 几个常考指令

6.1 运算类指令

6.2 LOAD指令

6.3 STORE指令

6.4 条件转移类指令

6.5 无条件转移类指令

6.6 例题

7. 补充

1. 程序员可见的寄存器：1. PSW2. 通用寄存器3. PC
2. 程序员不可见的寄存器：1. IR2. MAR3. MDR4. 暂存寄存器3. 控制器里面：1. CU2. MAR3. MDR4. IR5. PC6. 指令译码电路  (只对操作码进行译码，而不是整个指令)7. 微程序信号发生器8. 时序电路4. 运算器里面：1. ALU2. ACC3. MQ4. 通用寄存器5. PSW6. 移位器：对运算结果进行移位运算。7. 计数器：控制乘除运算的操作步数。5. 条件转移指令：1. 执行时所依据的条件来自：标志寄存器2. 实现跳转来自：程序计算器PC6. n位CPU指__(地址总线/数据总线/控制总线)位数。答：数据总线。表示CPU一次处理数据的位数。7. 判断：转移指令时，PC的值总是修改为转移指令的目标地址。错。因为需要判断跳转是否成功，即条件是否成立。若不成功则顺序执行。8. PC的位数 = MAR的位数 ->取决于存储器的容量9. 通用寄存器的位数取决于___(指令长度/机器字长/存储器的容量)答：机器字长。因为通用寄存器可以存放数据和地址，所以其位数尽可能的大。10. 判断：通用寄存器可以替代指令寄存器。错误。指令寄存器是专门存放指令的寄存器。11. 指令译码是对___(整条指令/操作码/地址码)进行译码答：操作码