本章总览

(6.1) 中央处理器的功能与组成

(6.1.1) CPU 的功能

附：运算器和控制器的任务

附：运算器的基本结构

专用数据通路进行信号管理

(6.1.2) CPU中的主要寄存器（register）

1. 通用寄存器

作用
- 存放原始数据和运算结果。
- 减少cpu访问存储器的次数，提高运算速度。
举例：累加寄存器Acc
- 在进行加法运算时，现将一个操作数暂时存放在Acc中，再从主存中取出另一个操作数，所得结果送回Acc中。
- 运算器中至少要有一个Acc。

2. 专用寄存器

cpu至少要有以下5个专用的寄存器。

程序计数器

作用：存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条指令地址。

指令寄存器

作用：存放从存储器中取出的指令。
- 在指令执行过程中，为保证实现指令的全部功能，指令寄存器的内容暂时不能发生变化。

存储器数据寄存器

作用：暂时存放由主存读出/写入的一条指令或一个数据字。

存储器地址寄存器

作用：保存当前cpu所访问的主存单元的地址。（因主存和CPU的访问速度有差别）

状态标志寄存器

作用：存放程序状态字（PSW）；状态字有2部分组成：
- 状态标志；如进位标志、结果为零标志。
- 控制标志；如中断标志、陷阱标志。

(6.1.3) CPU 的组成

组成：控制器和运算器
功能：
- 控制器：
  - 存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、输入输出设备之间的数据流动方向。
- 运算器：
  - 执行算术运算
  - 执行逻辑运算，进行逻辑测试。

(6.1.4) CPU 的主要技术参数

1. 字长

定义：单位时间内同时处理二进制数据的位数。
按字长分类的cpu：8、16、32、64位cpu。

2. 内部工作频率

定义：也叫做主频，表示在cpu内数字脉冲信号振荡的速度，是cpu性能的体现之一。

3. 外部工作频率

内频 = 外频 * 倍频

4. 前端总线频率

定义：影响cpu与内存之间的数据传输量
前端总线作用：cpu与外界交换数据的最主要通道，主要连接主存、显卡等数据吞吐率高的部件。
- 数据带宽 = 总线频率 * 数据位宽 / 8

5. QPI 数据传输速率

6. 片内 Cache 的容量

7. 工作电压

正常工作的电压越低，功耗越少。

8. 地址总线宽度

定义：决定了cpu可访问的最大物理地址空间。
- 32位地址线，可寻址的最大容量为2^32 = 4096MB = 4GB
- 44位对应2^44 = 16TB

9. 数据总线宽度

定义：决定了cpu与外部Cache、主存以及输入输出设备之间进行一次数据传输的信息量。
- 如果数据总线为32位，每次最多可读写主存中的32位；

10. 制造工艺

可描述为线宽，指芯片内电路之间的距离。越小越好。

(6.2) 控制器的组成和实现方法

(6.2.1) 控制器的基本组成

1. 指令部件

2. 时序部件

时序部件能产生一定的时序信号，以保证机器的各功能部件有节奏的进行信息传送、加工及信息存储。包括一下部件

脉冲源

启停控制逻辑

节拍信号发生器

3. 微操作信号发生器

它是控制器的核心；一条指令的取出和执行可分解成很多最基本的（不可再分割）微操作。微操作信号发生器也称为控制单元CU

4. 中断控制逻辑

6.1/6.2总结

(6.2.2) 控制器的硬件实现方法

控制器分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑型与存储逻辑结合型。

1. 组合逻辑型

优点：速度快
缺点：cu的结构不规则，使得设计、调试、维修难。

2. 存储逻辑型

也叫微程序控制器

优点：设计规则

3. 组合逻辑和存储逻辑结合型

可称为可编程逻辑阵列。

(6.3) 时序系统与控制方式

(6.3.1) 时序系统

时序系统的功能是为指令的执行提供各种定时信号。

1. 指令周期和机器周期

指令周期：从取指令、分析指令到执行该指令所需的时间。
机器周期（cpu周期）：每个机器周期完成1个指令周期中的一个基本操作。
- 一般组成：取指周期、取数周期（寻址周期）、执行周期和中断周期。
指令周期 = i * 机器周期

2. 节拍

定义：一个机器周期内又包含多个时钟周期（节拍、T周期），时钟周期是cpu操作的最基本单位。

附：指令周期的数据流

取指周期

间址周期

中断周期

2. 指令执行方案

单指令方案：每条指令的执行周期都统一成最长的指令周期。

(6.3.2) 控制方式

控制方法可分为3种

1. 同步控制方式

以最复杂的操作时间作为统一的时间间隔标准。

2. 异步控制方式

可变时序控制方式，

3. 联合控制方式

6.3 总结

(6.4) 微程序控制原理

(6.4.1) 微程序控制的基本概念

1. 微程序技术概述

微程序设计技术的实质是将程序设计的技术和存储技术相结合。

将微操作控制信号按一定规则进行信息编码，形成字（微指令），再把这些微指令按时间先后排列构成微程序。存放在一个只读的控制存储器中。

2. 基本术语

微命令和微操作

微命令：将控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫做微命令。它是构成控制序列的最小单位。（开/关某个控制门的电位信号）
微操作：微操作是微命令的执行过程。是计算机中最基本的不可再分的操作。

微指令和位地址

微指令：指控存储器中的一个单元的内容，即控制字。多个微命令构成微指令。至少包含以下两部分信息。
- 操作控制字段（微操作码）：用以产生某一个操作所需的个微操作控制信号。
- 顺讯控制字段（微地址码字段），用以控制产生下一条要执行的微指令地址。
- 分类：
  - 垂直型：每条垂直型微指令可完成一个基本微操作。
  - 水平型：每条垂直型微指令可并行完成多个微操作。
微地址：存放微指令的控制存储器的单元地址。

微周期

从控制存储器CM中读出并执行一条微指令所需的时间称为微周期。

微程序

微程序：多个微指令的有序集合。等价于机器指令。
程序：由多个顺序指令构成，用于完成特定的功能。

(6.4.2) 微指令编码法

1. 直接编码法

缺点（补充）：有些微命令是互斥的，不允许并行操作，这使得信息的利用率下降。

2. 最短编码法

将所有微命令统一编码，没条微指令令只定义一个微命令。

操作控制字段的长度L >= log2N（以2为底，微命令总数N为对数）

缺点：微命令数和译码器数量成正相关，不能很好的利用机器的并行性。

3. 字段编码法

每段采用最短编码法，段与段之间使用直接控制法。

例题

(6.4.3) 微程序控制器的组成和工作过程

1. 微程序控制器的基本组成

控制存储器（CM）

作为cpu的核心部件来存放微程序。用ROM实现

微指令寄存器

存放从CM中取出的微指令，它的位数同微指令字长相等。

微地址形成器

用来产生初始微地址和后继微地址，以保证微指令的连续执行。

微地址寄存器

接受微地址形成器送来的微地址，为在CM中读取微指令做准备。

2. 微程序控制器的工作过程

3. 机器指令对应的微程序

一条机器指令对应一个微程序。若指令系统具有n种机器指令则控制存储器中的微程序至少有n+1种。（1：公共的取址微程序）

(6.4.4) 微程序入口地址的形参

1. 一级功能转换

(6.4.5) 后继地址的形成

(6.4.4) 微程序设计

1. 微程序设计方法

水平型指令及水平型微程序设计

水平型指令：每条垂直型微指令可并行完成多个微操作。
- 优点：
- 缺点：增加了控存的横向容量。

垂直型指令及垂直型微程序设计

垂直型指令：每条垂直型微指令可完成一个基本微操作。
- 缺点：执行一条机器指令所需的微指令数多，且执行时间长。

混合型微指令

2. 微指令的运行方式

串行方式

取指令和执行指令是顺序执行的

并行方式

取指令和执行指令在不同的部件中进行。

(6.5) 控制单元的设计

硬布线与微程序的比较

硬布线也叫组合逻辑型控制器设计，可参考 (6.2.2)

至此总结

(6.6) 流水线技术

有以下几种控制指令的执行的方式：

顺序控制：各条机器指令之间顺序串行执行。
- 特点：控制简单，速度慢，机器各部件的利用率低。
重叠控制
先行控制
流水线控制

(6.6.1) 重叠控制

假定每个阶段的执行时间为t，则指令的运行要3t时间

重叠控制是：一次重叠方式需要增加一个指令缓存器，在执行第K条指令时，寄存所取出的第K+1条指令。

执行时间为：3*t + (n-1)*t = (2+n)t

前两种控制方法的总结 + 流水线的表示方法

前两种控制方法的总结

流水线的表示方法

(6.6.2) 先行控制原理

先行控制：取指阶段可合并到分析指令阶段中，指令的运行就变为分析和执行两个阶段。

(6.6.3) 流水工作原理

流水技术基于重叠的先行控制发展起来的。

1. 流水线

流水线将一个较复杂的处理过程分成m个复杂程度和处理时间相当的子过程，每个子过程由一个独立的功能部件来完成，处理对象在各子过程连成的线路上连续流动。

这样，一条指令的执行过程分成取指令、指令移码、取操作数和执行的4个子过程。

假如执行一条指令的时间为T，则流水线充满后，每隔T/4就完成了一条指令的执行。

2. 流水线分类

按处理级别分类

按功能分类

按工作方式分类

按流水线结构分类

附：影响因素

6.6 总结

【计组第六章】中央处理器