寫在前面：本文經過王道論壇的計算機組成原理單科書整理而來。

文章目錄

• • 5.1 CPU的功能和基本結構
  • 5.2 指令執行過程
  • • 5.2.1 指令周期
    • 5.2.2 指令周期的數據流
  • 5.3 數據通路的功能和基本結構
  • • 5.3.1 數據通路的功能
    • 5.3.2 數據通路的基本構成
  • 5.4 控制器的功能和工作原理
  • 5.5. 指令流水線
  • • 5.5.1 指令流水線的基本概念
    • 5.5.2 流水線的分類
    • 5.5.3 影響流水線的因素

5.1 CPU的功能和基本結構

5.2 指令執行過程

5.2.1 指令周期

指令周期： CPU從主存中取出并執行一條指令的時間稱為指令周期。

指令周期通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操作的最基本的單位。

舉個例子：購買電腦時候的指標 主頻3.0GHz，意思是 這個CPU每秒鐘可以發出3.0G次 時鐘周期（節拍）

5.2.2 指令周期的數據流

數據流是根據指令要求依次訪問的數據序列。在指令執行的不同階段，要求依次訪問的數據序列是不同的。

5.3 數據通路的功能和基本結構

5.3.1 數據通路的功能

數據在功能部件之間傳送的路徑稱為數據通路。 數據通路描述了信息從什么地方開始，中間經過哪個寄存器或多路開關，最后傳送到哪個寄存器，這些都需要加以控制。

數據通路中專門進行數據運算的部件稱為執行部件或功能部件。 數據通路由控制部件控制。 數據通路的功能是實現CPU內部的運算器與寄存器及寄存器之間的數據交換。

5.3.2 數據通路的基本構成

內部總線是指同一部件，如CPU內部連接各寄存器及運算部件之間的總線；
系統總線是指同一臺計算機系統的各部件，如CPU、內存、通道和各類I/O接口間相互連接的總線。

數據通路的基本結構主要有以下幾種：

1）CPU 內部單總線方式。

將所有寄存器的輸入端和輸出端都連接到一條公共通路上，這種結構比較簡單，但數據傳輸存在較多的沖突現象，性能較低。 連接各部件的總線只有一條時，稱為但總線結構； CPU中有兩條或者更多的總線時，構成雙總線結構或多總線結構。圖5.7所示的是CPU內部總線的數據通路和控制信號。

2）CPU內部三總線方式。

將所有寄存器的輸入端和輸出端都連接到多條公共通路上，相比之下，單總線中一個時鐘內只允許傳一個數據，因而指令執行效率較低，因此采用多總線方式，同時在多個總線上傳送不同的數據，提高效率。

3） 專用數據通路方式。

格局指令執行過程中的數據和地址的流動方向安排連接線路，避免使用共享的總線，性能較高，但硬件量大。

典型例題如下

解答如下
其中 取指令階段是公共部分，幾乎所有的微操作序列都需要。本題的特殊之處是對于一個加數來說是寄存器間接尋址，R0.

需要注意的是：

MDRoutE，后面加個字母E表示的是MDR和 主存之間的數據通路控制信號；沒有字母E，比如MDRout指的是MDR向數據總線的連通，不是和主存之間。

5.4 控制器的功能和工作原理

微程序控制器

微指令的設計

5.5. 指令流水線

5.5.1 指令流水線的基本概念

計算機的流水線把一個重復的過程分解為若干子過程，每個子過程與其他子過程并行執行。 由于采用流水線技術只需要增加少量硬件就能把計算機的運算速度提升幾倍，因此成為計算機中普遍使用的一種并行處理技術。

流水線的表示方式

通常用時空圖來直觀地描述流水線的工作過程。

在時空圖中，橫坐標表示時間，即輸入流水線中的各個任務在流水線中所經過的時間。流水線中各個流水段的執行時間都相等時，橫坐標就被分割成相等長度的時間段。縱坐標表示空間，即流水線的每個流水段，對應各執行部件。

3 流水線的特點

和傳統的串行執行方式相比，采用流水線方式具有如下特點：
1） 把一個任務（一條指令或者一個）分解為幾個有聯系的子任務，每個子任務由一個專門的功能部件來執行，并依靠多個功能部件并行工作來縮短程序的執行時間。

2）流水線每個功能段部件后面都要有一個緩沖寄存器（或稱為鎖存器），其作用是保存本流水段的執行結果，供給下一流水段使用。

3） 流水段中各功能段的時間應盡量相等，否則將引起堵塞、斷流。

4） 只有連續不斷地提供同一種任務時才能發揮流水線的效率，所以在流水線中處理的必須是連續任務。

5）流水線由裝入時間和排空時間。裝入時間是指第一個任務進入流水線到輸出流水線的時間。排空時間是指最后一個任務進入流水線到輸出流水線的時間。

5.5.2 流水線的分類

按照不同的分類標準，可以把流水線份成多種不同的種類。

1 按使用級別分
部件功能級流水：將復雜的算術邏輯運算組成流水線工作方式。
例如，將浮點數加法操作分車給求階差、對階、尾數相加級結果規格化等4個子過程。

處理機級流水：把一條指令解釋過程分成多個子過程，比如取指、譯碼、執行、訪存和寫回5個子過程。

處理機間流水：是一種宏流水，其中每個處理機完成某一專門任務，各個處理機得到的結果需要存放在與下一個處理機共享的存儲器中。

2 按完成功能分

單功能流水： 只能實現一種固定的專門功能的流水線

多功能流水： 通過各段間的不同連接方式可以同時或不同時地實現多種功能的流水線。

3 按連接方式分

靜態流水線： 在同一時間內，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。

動態流水線： 在同一時間內，當某些段正在實現某種運算時，另一些段卻正在進行另一種運算。

4按有無反饋信號分

線性流水線： 從輸入到輸出，每個功能段只允許經過一次，不存在反饋回路。

非線性流水線：存在反饋回路，從輸入到輸出的過程中，某些功能段將數次通過流水段，這種流水線適合進行線性遞歸的運算。

5.5.3 影響流水線的因素

其中數據相關也叫數據冒險，指的是在一個程序中，下一條指令會用到這一條指令計算出的結果。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机组成原理第5章-中央处理器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。