计算机组成原理

CPU

基本功能

• 自动完成取出指令和执行指令的任务

结构图

• 虚线框为CPU

基本部件

• 运算器

  • 算术逻辑运算单元ALU

    • 执行运算 两个数一个来自缓存寄存器DR 一个来自累加器AC 运算结果暂时存放到累加器中

  • 状态条件寄存器PSW

    • 0标志位 溢出标志位 等

  • 数据缓冲寄存器DR

    • 信息进出CPU都有在这蹲点，不论是指令还是数据进CPU都要先进缓存寄存器

  • 通用寄存器R

• 控制器

  • 程序计数器PC

    • 下一条将要执行指令的地址

  • 指令寄存器IR

    • 当前正在执行的指令，这里的指令中包含操作码和地址码

  • 指令译码器ID

    • 指令译码器把翻译结果告诉操作控制器和时序产生器，他们再按照时间顺序向计算机的执行部件发出执行命令

  • 操作控制器

    • 功能

      • 建立数据通路

    • 分类

      • 硬布线控制器
      • 微程序控制器

  • 时序产生器

• cache

  • 地址寄存器AR

    • 存放CPU正在访问的内存的地址，一般和地址总线直接相连

指令周期

• 基本概念

  • 指令周期

    • 取指令并执行指令的周期

  • CPU周期/机器周期

    • 从主存中读一条指令的最短周期

  • 时钟周期/节拍脉冲

    • 完成一次微操作

• 流程

  • 取指令

    • PC中的指令地址被放到指令地址总线上
    • 从指存中根据地址读取指令
    • 指令通过指令总线装入IR中
    • 从IR中取指令
    • PC+1
    • 对指令译码

  • 执行指令

    • 具体分析

• 指令控制同步

  • 定长指令周期

    • CPU周期固定，节拍数固定，按CPU周期同步

    • 单周期

      • 在一个CPU周期中完成取指令和执行指令操作

  • 变长指令周期

    • CPU周期可变，节拍数可变，按时钟周期数同步
    • 多周期

• 典型指令的指令周期

  • MOV R0,R1

    • 传送指令：（R0）->R1

  • LAD R1，6

    • 取数指令：从数存6号单元取数到R1中

  • ADD R1,R2

    • 加法指令：（R1)+(R2)->(R2)

  • STO R2,(R3)

    • 存数指令：将R2中的值写入R3中地址的位置

  • JMP 101

    • 转移指令：改变程序执行顺序到101号单元

  • AND R1,R3

    • 逻辑乘：（R1）*（R3）->R3

• 方框语言表示指令周期

时序信号

• 硬布线控制器

  • 主状态周期
  • 节拍电位
  • 节拍脉冲

• 微程序控制器

  • 节拍电位
  • 节拍脉冲

微程序控制器

• 概述

  • 把操作控制信号编写成微指令，放到只读存储器中（控制存储器），当机器运行时 一条一条取出这些微指令，从而产生各种操作控制信号，使相应的部件执行所规定的操作。

• 概念

  • 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

    • 执行部件接受微命令后所进行的操作

    • 分类

      • 相容性微操作

        • 同时或在同一个CPU周期内可以并行执行的微操作

      • 互斥性微操作

  • 控制部件

  • 执行部件

  • 微指令

    • 在机器的一个CPU周期中，一组实现一点操作功能的微命令的组合

  • 微程序

    • 实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列
    • 1条机器指令=1个微程序

• 控制原理

• 微程序设计

  • 目标

    • 缩短微指令字长度

      • 减小控制存储器的容量

    • 提高微程序执行速度

    • 便于修改微指令

      • 提高设计灵活性

  • 微命令编码

    • 直接表示

      • 微指令字较长

    • 编码表示法

      • 分段二次译码

        • 速度稍稍减慢
        • 较为普遍

    • 混合表示法

      • 把直接表示法和字段编码法混合使用，以便能综合考虑指令字长、灵活性、执行微程序素的等方面的要求

  • 微地址形成方法

    • 计数器
    • 多路转移

  • 微指令

    • 字段

      • 操作字段

      • 顺序字段

        • 决定、产生下一条指令地址

    • 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
        • 控制字段|判别测试字段|下地址字段

      • 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

• 过程

• 时间

• 影响因素

  • 资源相关

    • 两条指令同时争用一个功能部件发生冲突

    • 解决

      • 前一指令访存时，后一指令暂停一个时钟周期
      • 增设存储器

  • 数据相关

    • 前一条指令执行完毕以后才能执行下一条指令

    • 解决

      • 在流水CPU的运算器中设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为向前或定向传送技术。
      • 将遇到数据相关的指令及其后续指令都暂停一个至几个时钟周期，直到数据相关问题消失
      • 通过编译器对数据相关的指令编译优化，调整指令顺序。

  • 控制相关

    • 跳转指令

    • 解决

      • 延迟转移
      • 转移预测

• 性能指标

  • 吞吐率

    • 单位时间内流水线所完成的任务数量TP=n/Tk n是任务数 Tk是处理完成n个任务所用的时间

  • 加速比

    • 不使用流水线和使用流水线所用时间之比S=T0/Tk T0不使用流水线的执行时间 Tk使用流水线的执行时间 S最大可取到k （流水线的段数）

  • 效率

    • E=n个任务占用k时空区有效面积/n个任务所用的时间 与k个流水段所围成的时空区总面积 最高为1