计组-中央处理器
2020 年 11 月 12 日 388 1701 字 暂无评论

01.CPU的功能和结构

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 数据加工

    • 对数据进行算术和逻辑运算。
  • 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。

运算器和控制器的功能

  • 运算器

    • 对数据进行加工
  • 控制器

    • 协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列。
    • 基本功能包括取指令、分析指令、执行指令。
  • 取指令

    • 自动形成指令地址
    • 自动发出指令的命令
  • 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
  • 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I/O设备完成相应的操作。
  • 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)

运算器的基本结构

控制器的基本结构

02.指令执行过程

  • 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。
  • 机器周期

    • 指令周期常常用若干机器周期来表示,机器周期又叫做CPU周期。
  • 时钟周期

    • 一个机器周期有包含若干个时钟周期。
    • 也称节拍、T周期或CPU时钟周期,是CPU操作的基本单位。

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。

指令周期流程

03.数据通路的功能和基本结构

  • 数据通路

    • 数据在功能部件之间传送的路径。
  • 数据通路的基本结构

    • CPU内部单总线方式
    • CPU内部多总线方式
    • 专用数据通路方式
  • 内部总线是指同一部件

    • 如CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。
  • 系统总线是指一台计算机系统的各部件

    • 如CPU、内存、通道和各类I/O接口间互相连接的总线。

04.控制器的功能和工作原理

  • 控制器是计算机系统的指挥中心,控制器的主要功能有:

    • 从主存中取出一条指令,并指出下一条指令在主存中的位置
    • 对指令进行译码或测试,产生相应的操作控制信号,以便启动规定的动作
    • 指挥并控制CPU,主存,输入和输出设备之间的数据流动方向。
  • 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

    • 硬布线控制器的基本原理是根据指令的要求,当前的时序及外部和内部的状态,按时间的顺序发送一系列微操作控制信号。它由复杂的组合逻辑门电路和一些触发器构成,因此又称为组合逻辑控制器

  • CPU的控制方式

    • 产生不同微操作作命令序列所用的时序控制方式。
  • 同步控制方式

    • 整个系统所有的控制信号均来自一个统一的时钟信号。
    • 同步控制方式的优点是控制电路简单,缺点是运行速度慢。
  • 异步控制方式

    • 异步控制方式不存在基准时标信号。
    • 各部件按自身固有的速度工作,通过应答方式进行联络。
    • 异步控制方式的优点是运行速度快,缺点是控制电路比较复杂。
  • 联合控制方式

    • 对各种不同的指令的微操作实行大部分采用同步控制、小部分采用异步控制的办法。

微指令的格式

05.指令流水线

  • 指令流水线定义

    • 一条指令的执行过程可以分成多个阶段(或过程)。根据计算机的不同,具体的分法也不同。
  • 取指

    • 根据PC内容访问主存储器,取出一条指令送到IR中。
  • 分析

    • 对指令操作码进行译码,按照给定的寻址方式和地址字段中的内容形成操作数的有效地址EA,并从有效地址EA中取出操作数。
  • 执行

    • 根据操作码字段,完成指令规定的功能,即把运算结果写到通用寄存器或主存中。

流水线的性能指标

  • 吞吐率(TP)

    • 吞吐率是指在单位时间内流水线所完成的任务数量,或是输出结果的数量。
  • 加速比(S)

    • 完成同样一批任务,不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间比。
  • 效率(E)

    • 流水线的设备利用率称为流水线的效率。
    • 在时空图上,流水线的效率定义为完成n个任务占用的时空区有效面积n个任务所用的时间与k个流水段所围成的时空区总面积之比。

影响流水线的因素

  • 结构相关(资源冲突)

    • 由于多条指令在同一时刻争用同一资源而形成的冲突称为结构相关。

  • 数据相关(数据冲突)

    • 数据相关指在一个程序中,存在必须等前一条指令执行完成才能执行后一条指令的情况,则这两条指令即为数据相关。

  • 控制相关(控制冲突)

    • 当流水线遇到转移指令和其他改变PC值的指令而造成断流时,会引起控制相关。

流水线的分类

  • 部件功能级、处理机级和处理机间级流水线
  • 单功能流水线和多功能流水线
  • 动态流水线和静态流水线
  • 线性流水线和非线性流水线

流水线的多发技术

  • 超标量技术
  • 超流水技术
  • 超长指令字

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