文章目錄

• • • 1 CPU功能和基本結構
    • • • 1.1 CPU的功能
        • 1.2 運算器的基本結構
        • 1.3 控制器的基本結構
        • 1.4 CPU基本結構
        • 1.5 CPU的功能和基本結構小結
    • 2 指令周期和數據流
    • • • 2.1 指令執行過程
        • 2.2 指令周期流程
        • 2.3 指令周期的數據流-取指周期
        • 2.4 指令周期的數據流-間址周期
        • 2.5 指令周期的數據流-執行周期
        • 2.6 指令周期的數據流-中斷周期
        • 2.7 指令執行方案
        • 2.8 指令執行過程小結

章節內容總覽：

1 CPU功能和基本結構

1.1 CPU的功能

指令控制。完成取指令、分析指令和執行指令的操作，即程序的順序控制。

操作控制。一條指令的功能往往是由若干操作信號的組合來實現的。CPU管理并產生由內存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行動作。

時間控制。對各種操作加以時間上的控制。時間控制要為每條指令按時間順序提供應有的控制信號。

數據加工。對數據進行算術和邏輯運算。

中斷處理。對計算機運行過程中出現的異常情況和特殊請求進行處理。

1.2 運算器的基本結構

算術邏輯單元：主要功能是進行算術/邏輯運算。

通用寄存器組：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作數（包括源操作數、目的操作數及中間結果）和各種地址信息等。SP是堆棧指針，用于指示棧頂的地址。

專用數據通路方式：根據指令執行過程中的數據和地址的流動方向安排連接線路。

如果直接用導線連接，相當于多個寄存器同時并且一直向ALU傳輸數據，這顯然是不科學的

解決方法：

使用多路選擇器
根據控制信號選擇一路輸出

使用三態門
可以控制每一路是否輸出
如：ROout為1時Ro中的數據輸出到A端，ROout為0時Ro中的數據無法輸出到B端

結構簡單，容易實現，但數據傳輸存在較多沖突的現象，性能較低。

暫存寄存器：可以用于暫存從主存讀的數據，這個數據不能存放在通用寄存器中，否則會破壞其原有內容。
如：兩個操作數分別來自主存和Ro，最后結果存回Ro那么從主存中取來的操作數直接放入暫存器，就不會破壞運算前Ro的內容。

累加寄存器：它是一個通用寄存器，用于暫時存放ALU運算的結果信息，用于實現加法運算。

程序狀態字寄存器：保留由算術邏輯運算指令或測試指令的結果而建立的各種狀態信息，如溢出標志（OP）、符號標志（SF）、零標志（ZF）、進位標志（CF）等。PSW中的這些位參與并決定微操作的形成。

移位器：對運算結果進行移位運算。

計數器：控制乘除運算的操作步數。

1.3 控制器的基本結構

1.4 CPU基本結構

1.5 CPU的功能和基本結構小結

2 指令周期和數據流

2.1 指令執行過程

• 指令周期：CPU從主存中每取出并執行一條指令所需的全部時間。
• 指令周期常常用若干機器周期來表示，機器周期又叫CPU周期。
• 一個機器周期又包含若干時鐘周期（也稱為節拍、T周期或CPU時鐘周期，它是CPU操作的最基本單位）。
  
  
  每個指令周期內機器周期數可以不等，每個機器周期內的節拍數也可以不等。

每個指令周期內機器周期數可以不等，每個機器周期內的節拍數也可以不等。

2.2 指令周期流程

CPU如何判斷指令執行的階段？

通過一個硬件結構：觸發器

四個不同的指令周期對應四個觸發器

四個工作周期都有CPU訪存操作，只是訪存的目的不同。
取指周期是為了取指令，間址周期是為了取有效地址，
執行周期是為了取操作數，中斷周期是為了保存程序斷點。

2.3 指令周期的數據流-取指周期

當前指令地址送至存儲器地址寄存器，記做：（PC）→MAR

CU發出控制信號，經控制總線傳到主存，這里是讀信號，記做：1→R

將MAR所指主存中的內容經數據總線送入MDR，記做：M（MAR）→MDR

將MDR中的內容（此時是指令）送入IR，記做：（MDR）→IR

CU發出控制信號，形成下一條指令地址，記做：（PC）+1→PC

2.4 指令周期的數據流-間址周期

將指令的地址碼送入MAR，記做：Ad（IR）→MAR或Ad（MDR）→MAR

CU發出控制信號，啟動主存做讀操作，記做：1→R

將MAR所指主存中的內容經數據總線送入MDR，記做：M（MAR）→MDR

將有效地址送至指令的地址碼字段，記做：MDR→Ad（IR）

2.5 指令周期的數據流-執行周期

• 執行周期的任務是根據lR中的指令字的操作碼和操作數通過ALU操作產生執行結果。
• 不同指令的執行周期操作不同，因此沒有統一的數據流向。

2.6 指令周期的數據流-中斷周期

中斷：暫停當前任務去完成其他任務。為了能夠恢復當前任務，需要保存斷點。一般使用堆棧來保存斷點，這里用SP表示棧頂地址，假設SP指向棧頂元素，進棧操作是先修改指針，后存入數據。

CU控制將SP減1，修改后的地址送入MAR，記做：（SP）-1→SP，（SP）→MAR
本質上是將斷點存入某個存儲單元，假設其地址為a，故可記做：a→MAR

CU發出控制信號，啟動主存做寫操作，記做：1→W

將斷點（PC內容）送入MDR，記做：（PC）→MDR

CU控制將中斷服務程序的入口地址（由向量地址形成部件產生）送入PC，記做：向量地址→PC

2.7 指令執行方案

一個指令周期通常要包括幾個時間段（執行步驟），每個步驟完成指令的一部分功能，幾個依次執行的步驟完成這條指令的全部功能。

方案1.單指令周期

• 對所有指令都選用相同的執行時間來完成。
• 指令之間串行執行；指令周期取決于執行時間最長的指令的執行時間。
• 對于那些本來可以在更短時間內完成的指令，要使用這個較長的周期來完成，會降低整個系統的運行速度。

方案2.多指令周期

• 對不同類型的指令選用不同的執行步驟來完成。
• 指令之間串行執行；
• 可選用不同個數的時鐘周期來完成不同指令的執行過程。
• 需要更復雜的硬件設計。

方案3.流水線方案

• 在每一個時鐘周期啟動一條指令，盡量讓多條指令同時運行，但各自處在不同的執行步驟中。
• 指令之間并行執行。

2.8 指令執行過程小結

總結

以上是生活随笔為你收集整理的6 计算机组成原理第五章 中央处理器 CPU功能和结构 指令执行过程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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