第五章 中央处理器（期末复习版）

CPU的功能和组成 — 掌握

CPU的功能

• 指令控制：控制程序的执行顺序
• 操作控制：对指令操作码译码后产生控制信号
• 时间控制：维持各类操作的时序关系
• 数据加工：对数据进行算术逻辑运算

CPU的基本组成

现代的CPU的组成：运算器、控制器、片内Cache

控制器的主要功能

• 从内存中取出一条指令，并指出下条指令的存放位置
• 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号
• 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动

运算器的主要功能

• 执行所有的算术运算
• 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试

CPU中的主要寄存器

1. 数据缓存寄存器（DR）

   暂时存放运算器与外界传送的数据，作为CPU和内存、外部设备之间的信息传送的中转站，并补偿CPU和内存、外围设备之间的速度差异

2. 指令寄存器（IR）

   保存当前正在执行的一条指令，其对应的操作码字段直接作为指令译码器的输入

3. 程序计数器（PC）

   始终存放下一条指令的地址，对应于指令cache的访问

4. 地址寄存器（AR）

   保存当前CPU所访问数据的内存单元地址

5. 通用寄存器

   暂时存放ALU运算的数据或结果

6. 状态条件寄存器（PSW）

   保存各种状态和条件控制信号，每个信号由一个触发器保存，从而拼成一个寄存器

操作控制器与时序产生器

数据通路：两个部件之间传送信息的通路

操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号；建立正确的数据通路，从而完成指令的执行

操作控制器可分为：

• 硬布线控制器：采用时序逻辑技术实现
• 微程序控制器：采用存储逻辑实现
• 前两种方式结合

指令周期 — 掌握

指令周期的基本概念

CPU执行程序是一个“取指令-执行指令”的循环过程

指令周期：CPU从内存中取出一条指令，并执行完毕的时间总和

CPU周期：又称机器周期，一般为从内存读取一条指令字的最短时间

完整的指令周期：取指周期 — 间址周期 — 执行周期 — 中断周期

时钟周期：也叫节拍脉冲或T周期，是计算机工作的基本时间单位

不同指令的指令周期不一定相同，但是所有指令的第一个机器周期必为取指周期

用方框图语言表示指令周期

方框：代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作

菱形：通常用来表示某种判别或测试，时间上依附于之前一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期

~（公操作符）：表示一条指令已经执行完毕，转入公操作

示例：

1. “ADD R2，R0”指令完成(R0)+(R2)→R0的功能操作，画出其指令周期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列

   指令周期应包括取指周期和执行周期，执行周期中应首先将R0、R2两寄存器的内容送入ALU的操作数缓冲器中，再执行加法运算

2. “SUB R1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，画出其指令期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列

时序产生器和控制方式 — 了解

时序信号的作用和体制

时序信号的作用：使计算机准确、迅速、有条不紊的工作

CPU通过时序控制来识别指令和数据

时序信号的体制：电位 — 脉冲制

硬布线控制器的时序信号：常采用主状态周期 — 节拍电位 — 节拍脉冲三级体制

微程序控制器的时序信号：一般采用节拍电位 — 节拍脉冲二级体制

时序信号产生器

用逻辑电路实现时序的控制

微程序控制器中时序信号产生器的组成：时钟源、环形脉冲发生器、节拍脉冲和读写时序译码逻辑、启停控制逻辑

控制方式

同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变

异步控制方式：每个指令周期包含的机器周期数目由联络信号控制，不固定

联合控制方式

• 大部分操作序列为固定的机器周期
• 机器周期的节拍脉冲数固定

微程序控制器 — 掌握

微程序控制原理

微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点

基本思想

• 仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信号编程所谓的“微指令”,存放到一个只读存储器里
• 当机器运行时，一条一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的的各种操作控制信号，使部件执行规定的操作

控制部件与执行部件之间的联系

• 控制部件向执行部件发出控制信号
• 执行部件向控制部件返回状态信息

微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令

微操作：执行部件的最基本的操作，执行部件接受微命令后所执行的操作

状态测试：执行部件通过反馈线向控制部件反应当前操作状态，以使控制部件决定下一步的微命令

微操作的分类：

• 相容性微操作：在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作
• 相斥性微操作：不能在同时或不能再同一个CPU周期内并行执行的微操作

微指令：一个CPU周期中，实现一定操作功能的一组微命令的组合，一般包括操作控制和顺序控制两大部分

微程序：能实现一条机器指令功能的多条微指令序列；每条机器指令都对应着一段微程序

微指令寄存器：存放当前正在执行的一条微指令；由微地址寄存器和微命令寄存器两部分构成

一条机器指令对应一个微程序，一个微程序是由若干条微指令组成的

微程序设计技术

微命令编码的表示方法有：直接表示法、编码表示法、混合表示法

微程序的入口地址：微程序的第一条微指令所在控存单元的地址

微指令中确定后继微地址的方法：计数器的方式、多路转移方式

微指令格式

• 水平型微指令
  一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令（一般由操作控制字段、判别测试字段、下地址字段三部分构成）
• 垂直型微指令
  微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能

流水CPU — 理解

并行性的两种含义

• 同时性：两个以上事件在同一时刻发生
• 并发性：两个以上事件在同一间隔内发生

并行性的三种形式：

• 时间并行：使用流水处理部件，时间重叠
• 空间并行：设置重复资源，同时工作
• 时间并行 + 空间并行：时间重叠和资源重复的综合应用

流水CPU的加速比

若某CPU指令执行，可划分为K个阶段，每个阶段1个周期

非流水线CPU处理n个任务时，所需始终周期数 T = n x k

一个具有k级过程段的流水CPU处理这n个任务时，需要的时钟周期数 Tk = k + (n - 1)

• k个时钟周期用于处理第一个任务
• k个周期后，流水线被装满，剩余的n-1个任务只需n-1个周期即可完成

将T1和Tk的比率定义为k级线性流水处理器的加速比：Ck = T1 / Tk

指令流水线的性能指标：

流水线分类

• 指令流水线
• 算术流水线
• 处理机流水线

例题

例一：

计算机的控制器采用微程序控制方法，为指令中的操作控制字段采用字段直接编码法，共有33个微命令，构成5个互斥类，分别包含7、3、12、5和6个微命令，则操作控制字段至少有 _15位_

解析：字段直接编码就是把微命令多个段，段的数目等于互斥类的数目。因此这里分为5个段，每段里要留一个离散状态表示自己没命令。所以7个微命令对应3位，3个微命令对应2位，12个微命令对应4位，5个微命令对应3位，6个微命令对应3位，共15位。

例二：

指令流水线有取值(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB)五个过程段，共有7条指令连续输入此流水线，时钟周期为100ns

解析：

1. 请画出流水处理的时空图

   

2. 求流水线的实际吞吐率

   流水线执行完7条指令的时间是 5 + （7 - 1）= 11 个时钟周期
   故实际吞吐率为 7 / (11 x 100ns) = 64 x 10^5条指令/s

例三：

判断一下三组指令个存在哪种类型的数据相关

例四：

不会引起流水阻塞的是 （数据旁路）；
CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是 （程序计数器）；
在微程序控制器中 ，构成控制信号序列的最小单位 （微命令）；

例五：
假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量

解析：