文章目錄

• • CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)
  • 指令執(zhí)行過(guò)程
  • 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)
  • 控制器的功能和工作原理
  • 指令流水線

CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)

CPU的功能：

運(yùn)算器和控制器的功能：

運(yùn)算器
運(yùn)算器是指計(jì)算機(jī)中進(jìn)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作的部件， 其中算術(shù)邏輯單元是中央處理核心的部分。

（1）算術(shù)邏輯單元（ALU）。算術(shù)邏輯單元的運(yùn)算主要是進(jìn)行二位元算術(shù)運(yùn)算，如加法、減法、乘法。在運(yùn)算過(guò)程中，算術(shù)邏輯單元主要是以計(jì)算機(jī)指令集中執(zhí)行算術(shù)與邏輯操作。

（2）中間寄存器（IR）。其長(zhǎng)度為 128 位，其通過(guò)操作數(shù)來(lái)決定實(shí)際長(zhǎng)度。IR 在“進(jìn)棧并取數(shù)”指令中發(fā)揮重要作用，在執(zhí)行該指令過(guò)程中，將ACC的內(nèi)容發(fā)送于IR，之后將操作數(shù)取到ACC，后將IR內(nèi)容進(jìn)棧。

（3）運(yùn)算累加器（ACC）。當(dāng)前的寄存器一般都是單累加器，其長(zhǎng)度為128位。對(duì)于ACC來(lái)說(shuō)，可以將它看成可變長(zhǎng)的累加器。

（4）描述字寄存器（DR）。其主要應(yīng)用于存放與修改描述字中。DR的長(zhǎng)度為64位，為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理，使用描述字發(fā)揮重要作用。

（5）B寄存器。其在指令的修改中發(fā)揮重要作用，B 寄存器長(zhǎng)度為32位，在修改地址過(guò)程中能保存地址修改量，主存地址只能用描述字進(jìn)行修改。

控制器
控制器是指按照預(yù)定順序改變主電路或控制電路的接線和 改變電路中電阻值來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)與反向的主令裝置。控制器由程序狀態(tài)寄存器PSR，系統(tǒng)狀態(tài)寄存器SSR， 程序計(jì)數(shù)器PC，指令寄存器等組成，其作為“決策機(jī)構(gòu)”，主要任務(wù)就是發(fā)布命令，發(fā)揮著整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作的協(xié)調(diào)與指揮作用。 控制的分類主要包括兩種，分別為組合邏輯控制器、微程序控制器，兩個(gè)部分都有各自的優(yōu)點(diǎn)與不足。其中組合邏輯控制器結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，但優(yōu)點(diǎn)是速度較快；微程序控制器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在修改一條機(jī)器指令功能中，需對(duì)微程序的全部重編。

指令執(zhí)行過(guò)程

指令周期
指令周期是取出一條指令并執(zhí)行這條指令的時(shí)間。
一般由若干個(gè)機(jī)器周期組成，是從取指令、分析指令到執(zhí)行完所需的全部時(shí)間。每個(gè)機(jī)器周期又由若干個(gè)時(shí)鐘周期組成。時(shí)鐘周期是時(shí)鐘頻率的倒數(shù)，也可稱為節(jié)拍脈沖或T周期，是處理操作最基本的單位。

指令執(zhí)行方案
一個(gè)指令周期通常要包括幾個(gè)執(zhí)行步驟，每個(gè)步驟完成指令的部分功能；通常有以下幾種方案來(lái)安排指令的執(zhí)行步驟：

1、單指令周期
對(duì)所有指令都選用相同的執(zhí)行時(shí)間來(lái)完成。
指令之間串行執(zhí)行，指令周期取決于執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的指令的執(zhí)行時(shí)間。

2、多指令周期
對(duì)不同類型的指令選用不同的執(zhí)行步驟來(lái)完成。
指令之間仍然是串行，但可選用不同的時(shí)鐘周期來(lái)完成不同指令的執(zhí)行過(guò)程，指令需要幾個(gè)周期就為其分配幾個(gè)周期，而不要求所用指令的執(zhí)行時(shí)間相同。

3、流水線方案
指令之間可以并行執(zhí)行的方案。
其追求的目標(biāo)是力爭(zhēng)在每個(gè)時(shí)鐘周期完成一條指令的執(zhí)行過(guò)程（理想情況下），此方案通過(guò)在每個(gè)時(shí)鐘周期啟動(dòng)一條指令，盡量讓多條指令同時(shí)運(yùn)行，但各自處在不同的執(zhí)行步驟中。

指令周期的數(shù)據(jù)流

數(shù)據(jù)流是根據(jù)指令要求依次訪問(wèn)的數(shù)據(jù)序列。在指令執(zhí)行的不同階段，要求訪問(wèn)的數(shù)據(jù)序列是不同的。對(duì)于不同的指令，數(shù)據(jù)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個(gè)階段，也稱取指令階段。即控制單元執(zhí)行程序的周期內(nèi)，從存儲(chǔ)單元取出所要執(zhí)行的指令的過(guò)程。（如Add指令）
“取指”控制單元執(zhí)行程序的周期內(nèi)，從存儲(chǔ)單元取出所要執(zhí)行的指令的過(guò)程。

2.間址周期
間址周期是為了取出操作數(shù)的有效地址。

3.執(zhí)行周期
不同指令的執(zhí)行周期操作命令不一樣，所以無(wú)統(tǒng)一格式。

4.中斷周期
任務(wù)是處理中斷請(qǐng)求。

數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)在功能部件之間傳送的路徑稱為數(shù)據(jù)通路。
運(yùn)算器與各寄存器之間的傳輸路徑就是中央處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)通路。
數(shù)據(jù)通路的功能是實(shí)現(xiàn)CPU內(nèi)部的運(yùn)算器與寄存器，以及寄存器之間的數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)通路的功能是實(shí)現(xiàn)CPU內(nèi)部的運(yùn)算器與寄存器以及寄存器之間的數(shù)據(jù)交互。

數(shù)據(jù)通路的基本結(jié)構(gòu)主要有以下3種：
（1） CPU內(nèi)部單總線方式。將所有寄存器的輸入端和輸出端都連接到一條公共的通路上，者種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但數(shù)據(jù)傳輸存在較多沖突現(xiàn)象，性能較低。如果連接各部件的總線只有一條，稱為單總線結(jié)構(gòu)；如果CPU中由兩條或更多的總線，則構(gòu)成雙總線結(jié)構(gòu)或多總線結(jié)構(gòu)。
（2） CPU內(nèi)部三總線方式。將所有寄存器的輸入端和輸出端都接到多條公共的通路上，相比之下單總線中一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)只允許傳一個(gè)數(shù)據(jù)，而指令執(zhí)行效率很低，因此采用多總線方式，同時(shí)在多個(gè)總線上傳送不同數(shù)據(jù)，提高效率
（3） 專用數(shù)據(jù)通路方式。根據(jù)指令執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)和地址的流動(dòng)方向安排連接線路，避免使用共享的總線，性能比較高，但硬件量大。

常見數(shù)據(jù)通路的數(shù)據(jù)傳送：

控制器的功能和工作原理

根據(jù)控制器產(chǎn)生微操作控制信號(hào)的方式不同，控制器可分為硬布線控制器和微程序控制器，兩類控制器中的PC和IR是相同的，但確定和表示指令執(zhí)行步驟的辦法以及給出控制各部件運(yùn)行所需要的控制信號(hào)的方案是不同的。

硬布線控制器是早期設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的一種方法。硬布線控制器是將控制部件做成產(chǎn)生專門固定時(shí)序控制信號(hào)的邏輯電路，產(chǎn)生各種控制信號(hào)，因而又稱為組合邏輯控制器。這種邏輯電路以使用最少元件和取得最高操作速度為設(shè)計(jì)目標(biāo)，因?yàn)樵撨壿嬰娐酚砷T電路和觸發(fā)器構(gòu)成的復(fù)雜樹型網(wǎng)絡(luò)，所以稱為硬布線控制器。
（速度快但電路龐雜不靈活）

微程序控制器是一種控制器，同組合邏輯控制器相比較，具有規(guī)整性、靈活性、可維護(hù)性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中逐漸取代了早期采用的組合邏輯控制器，并已被廣泛地應(yīng)用。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是利用軟件方法來(lái)設(shè)計(jì)硬件的一門技術(shù) 。（靈活可維護(hù)性好但速度慢）

指令流水線

指令流水線是為提高處理器執(zhí)行指令的效率，把一條指令的操作分成多個(gè)細(xì)小的步驟，每個(gè)步驟由專門的電路完成的方式。

例如一條指令要執(zhí)行要經(jīng)過(guò)3個(gè)階段：取指令、譯碼、執(zhí)行，每個(gè)階段都要花費(fèi)一個(gè)機(jī)器周期，如果沒(méi)有采用流水線技術(shù)，那么這條指令執(zhí)行需要3個(gè)機(jī)器周期；如果采用了指令流水線技術(shù)，那么當(dāng)這條指令完成“取指”后進(jìn)入“譯碼”的同時(shí)，下一條指令就可以進(jìn)行“取指”了，這樣就提高了指令的執(zhí)行效率。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机组成原理笔记——中央处理器CPU的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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