【计算机组成原理】五、中央处理器：1.CPU的功能与结构&指令执行过程（运算器、数据通路、控制器、指令周期）

五、中央处理器

文章目录

• 五、中央处理器
• • 1.CPU的功能与结构
  • • 1.1CPU功能
    • 1.2运算器
    • • 1.2.1基本结构
      • 1.2.2 ALU和寄存器的数据通路
    • 1.3控制器
    • • 1.3.1基本结构
      • 1.3.2控制器功能
    • 1.4CPU的基本结构
  • 2.指令执行过程
  • • 2.1指令周期
    • 2.2指令周期流程
    • 2.3数据流
    • 2.4指令执行方案：如何安排多条指令的执行?
    • • 2.4.1单指令周期
      • 2.4.2多指令周期
      • 2.4.3流水线方案

1.CPU的功能与结构

存储程序的概念是指将指令以代码形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。

CPU和主存之间通过一组总线相连，总线中有地址、控制、数据3组信号线。

MAR（主存地址寄存器）中的地址信息会直接送到地址线上，用于指向读/写操作的主存存储单元；

控制线中有读/写信号线，指出数据是从CPU写入主存还是从主存读出到CPU，根据是读操作还是写操作来控制将MDR中的数据是直接送到数据线上还是将数据线上的数据接收到MDR中。

1.1CPU功能

1. 指令控制。完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制。
2. 操作控制。一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
3. 时间控制。对各种操作加以时间上的控制。时间控制要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。
4. 数据加工。对数据进行算术和逻辑运算。
5. 中断处理。对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理。

1.2运算器

运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算。

算术运算是按算术运算规则进行的运算，如加、减、乘、除；逻辑运算包括与、或、非、异或、比较、移位等运算。

1.2.1基本结构

1. 算术逻辑单元ALU（Arithmetic and Logical Unit），运算器的核心。
2. 通用寄存器组，用于暂存操作数和中间结果，如累加器ACC，乘商寄存器MQ，操作数寄存器X，变址寄存器IX，基址寄存器(堆栈寄存器)BR等，其中ACC,MQ,X是必须有的。
   • 累加寄存器ACC用于暂时存放ALU运算的结果信息，实现加法运算。
3. 暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。
4. 程序状态字寄存器PSW：也称标志寄存器，用于存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息。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 ALU和寄存器的数据通路

详见本章第三节 3.数据通路

1. 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。
   性能较高，基本不存在数据冲突现象，但结构复杂，硬件量大，不易实现。

2. 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。
   结构简单，容易实现，但数据传输存在较多冲突的现象，性能较低。

1.3控制器

控制器是计算机的指挥中心，协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列。

1.3.1基本结构

控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、**控制单元CU（control unit）**组成。

• PC用于存放当前欲执行指令的地址，可自动+1以形成下一条指令的地址，与主存的MAR之间有一条直接通路。
• IR用来存放当前的指令，其内容来自主存的MDR。指令中的操作码OP（IR）送至CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列；地址码Ad(IR)送往MAR，用以取操作数。（操作码表示机器所执行的各种操作，地址码表示参加运算的数在存储器内的位置）。

控制器CU又包含五大部件：

1. 指令译码器ID instruction decoder
2. 操作控制器OC operation controller
3. 时序发生器ST sequence timer

上面3个也可以看作控制单元CU。

两个寄存器

4. 程序计数器PC program count

5. 指令寄存器IR instruction register

详细：

1. 程序计数器PC（program count）。用于指出下一条指令在主存中的存放地址。CPU就是根据PC的内容去主存中取指令的。因程序中指令(通常）是顺序执行的，所以Pc有自增功能。
2. 指令寄存器IR（instruction register）。用于保存当前正在执行的那条指令，就是一条指令OP+Ad。
3. 指令译码器ID（instruction decoder）。仅对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号。
   • 操作控制器OP，operation controller。
4. 微操作信号发生器。根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。
5. 时序系统。用于产生各种时序信号，它们都是由统一时钟（CLOCK）分频得到。
6. 存储器地址寄存器MAR。用于存放所要访问的主存单元的地址。
7. 存储器数据寄存器MDR。用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息。

1.3.2控制器功能

1. 取指令。自动形成指令地址；自动发出取指令的命令。
2. 分析指令。操作码译码(分析本条指令要完成什么操作)；产生操作数的有效地址。
3. 执行指令。根据分析指令得到的“操作命令”和“操作数地址”，形成操作信号控制序列，控制运算器、存储器以及l/O设备完成相应的操作。
4. 中断处理。管理总线及输入输出；处理异常情况(如掉电)和特殊请求(如打印机请求打印一行字符)。

1.4CPU的基本结构

橙色寄存器是对用户可见的，灰色不可见。

CPU就可以主要分为ALU、CU、寄存器、中断系统四大部分。

2.指令执行过程

2.1指令周期

指令周期：CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间。

指令周期常常用若干机器周期（也叫CPU周期）来表示。

一个机器周期又包含若干时钟周期（也称为节拍、T周期或CPU时钟周期，它是CPU操作的最基本单位）。

CPU主频：3.0GHz，就是1秒中CPU发出3G CPU内数字脉冲信号震荡。

• 指令周期
  • 机器周期（CPU周期）
    • 时钟周期（节拍、T周期、CPU时钟周期）

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也可以不等。

四个常见性质：

1. 一个节拍内可以并行完成多个“相容的”微操作。
2. 同一个微操作可能在不同指令的不同阶段被使用。
3. 不同指令的执行周期所需节拍数各不相同。为了简化设计，选择定长的机器周期，以可能出现的最大节拍数为准（通常以访存所需节拍数作为参考）。
4. 若实际所需节拍数较少，可将微操作安排在机器周期末尾几个节拍上进行。

例子：

2.2指令周期流程

标志触发器FE（取指周期）、IND（间址周期）、EX（执行周期）、INT（终端周期）.

FE=1就代表取指周期。

2.3数据流

流程中的4种数据流，不同阶段要求依次访问的数据序列。

5.2_指令周期的数据流_哔哩哔哩_bilibili

• 取指周期

• 执行周期的任务是根据IR中的指令字的操作码和操作数通过ALU操作产生执行结果。不同指令的执行周期操作不同，因此没有统一的数据流向。

• 中断周期

2.4指令执行方案：如何安排多条指令的执行?

有3种方案：

2.4.1单指令周期

对所有指令都选用相同的执行时间来完成。

优点：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。

缺点：对于那些本来可以在更短时间内完成的指令，要使用这个较长的周期来完成，会降低整个系统的运行速度。

2.4.2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。

优点：指令之间串行执行；可选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行过程。

缺点：需要更复杂的硬件设计。

2.4.3流水线方案

在每一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。指令之间并行执行。