计算机组成原理笔记——中央处理器CPU

Posted 2021-12-06 Lora青蛙

文章目录

• • CPU的功能和基本结构
  • 指令执行过程
  • 数据通路的功能和基本结构
  • 控制器的功能和工作原理
  • 指令流水线

CPU的功能和基本结构

CPU的功能：

运算器和控制器的功能：

运算器
运算器是指计算机中进行各种算术和逻辑运算操作的部件， 其中算术逻辑单元是中央处理核心的部分。

（1）算术逻辑单元（ALU）。算术逻辑单元的运算主要是进行二位元算术运算，如加法、减法、乘法。在运算过程中，算术逻辑单元主要是以计算机指令集中执行算术与逻辑操作。

（2）中间寄存器（IR）。其长度为 128 位，其通过操作数来决定实际长度。IR 在“进栈并取数”指令中发挥重要作用，在执行该指令过程中，将ACC的内容发送于IR，之后将操作数取到ACC，后将IR内容进栈。

（3）运算累加器（ACC）。当前的寄存器一般都是单累加器，其长度为128位。对于ACC来说，可以将它看成可变长的累加器。

（4）描述字寄存器（DR）。其主要应用于存放与修改描述字中。DR的长度为64位，为了简化数据结构处理，使用描述字发挥重要作用。

（5）B寄存器。其在指令的修改中发挥重要作用，B 寄存器长度为32位，在修改地址过程中能保存地址修改量，主存地址只能用描述字进行修改。

控制器
控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和 改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动与反向的主令装置。控制器由程序状态寄存器PSR，系统状态寄存器SSR， 程序计数器PC，指令寄存器等组成，其作为“决策机构”，主要任务就是发布命令，发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。 控制的分类主要包括两种，分别为组合逻辑控制器、微程序控制器，两个部分都有各自的优点与不足。其中组合逻辑控制器结构相对较复杂，但优点是速度较快；微程序控制器设计的结构简单，但在修改一条机器指令功能中，需对微程序的全部重编。

指令执行过程

指令周期
指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。
一般由若干个机器周期组成，是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。每个机器周期又由若干个时钟周期组成。时钟周期是时钟频率的倒数，也可称为节拍脉冲或T周期，是处理操作最基本的单位。

指令执行方案
一个指令周期通常要包括几个执行步骤，每个步骤完成指令的部分功能；通常有以下几种方案来安排指令的执行步骤：

1、单指令周期
对所有指令都选用相同的执行时间来完成。
指令之间串行执行，指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间。

2、多指令周期
对不同类型的指令选用不同的执行步骤来完成。
指令之间仍然是串行，但可选用不同的时钟周期来完成不同指令的执行过程，指令需要几个周期就为其分配几个周期，而不要求所用指令的执行时间相同。

3、流水线方案
指令之间可以并行执行的方案。
其追求的目标是力争在每个时钟周期完成一条指令的执行过程（理想情况下），此方案通过在每个时钟周期启动一条指令，尽量让多条指令同时运行，但各自处在不同的执行步骤中。

指令周期的数据流

数据流是根据指令要求依次访问的数据序列。在指令执行的不同阶段，要求访问的数据序列是不同的。对于不同的指令，数据流往往也是不同的。

1.取指周期

取指周期是指令周期的第一个阶段，也称取指令阶段。即控制单元执行程序的周期内，从存储单元取出所要执行的指令的过程。（如Add指令）
“取指”控制单元执行程序的周期内，从存储单元取出所要执行的指令的过程。

2.间址周期
间址周期是为了取出操作数的有效地址。

3.执行周期
不同指令的执行周期操作命令不一样，所以无统一格式。

4.中断周期
任务是处理中断请求。

数据通路的功能和基本结构

数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路。
运算器与各寄存器之间的传输路径就是中央处理器内部数据通路。
数据通路的功能是实现CPU内部的运算器与寄存器，以及寄存器之间的数据交换。

数据通路的功能是实现CPU内部的运算器与寄存器以及寄存器之间的数据交互。

数据通路的基本结构主要有以下3种：
（1） CPU内部单总线方式。将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上，者种结构比较简单，但数据传输存在较多冲突现象，性能较低。如果连接各部件的总线只有一条，称为单总线结构；如果CPU中由两条或更多的总线，则构成双总线结构或多总线结构。
（2） CPU内部三总线方式。将所有寄存器的输入端和输出端都接到多条公共的通路上，相比之下单总线中一个时钟内只允许传一个数据，而指令执行效率很低，因此采用多总线方式，同时在多个总线上传送不同数据，提高效率
（3） 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连接线路，避免使用共享的总线，性能比较高，但硬件量大。

常见数据通路的数据传送：

控制器的功能和工作原理

根据控制器产生微操作控制信号的方式不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器，两类控制器中的PC和IR是相同的，但确定和表示指令执行步骤的办法以及给出控制各部件运行所需要的控制信号的方案是不同的。

硬布线控制器是早期设计计算机的一种方法。硬布线控制器是将控制部件做成产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，产生各种控制信号，因而又称为组合逻辑控制器。这种逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标，因为该逻辑电路由门电路和触发器构成的复杂树型网络，所以称为硬布线控制器。
（速度快但电路庞杂不灵活）

微程序控制器是一种控制器，同组合逻辑控制器相比较，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点，因而在计算机设计中逐渐取代了早期采用的组合逻辑控制器，并已被广泛地应用。在计算机系统中，微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术 。（灵活可维护性好但速度慢）

指令流水线

指令流水线是为提高处理器执行指令的效率，把一条指令的操作分成多个细小的步骤，每个步骤由专门的电路完成的方式。

例如一条指令要执行要经过3个阶段：取指令、译码、执行，每个阶段都要花费一个机器周期，如果没有采用流水线技术，那么这条指令执行需要3个机器周期；如果采用了指令流水线技术，那么当这条指令完成“取指”后进入“译码”的同时，下一条指令就可以进行“取指”了，这样就提高了指令的执行效率。