計算機組成原理---CPU的結構和功能

CPU的實質包括運算器和控制器。

一旦程式進入存儲器後，就可由計算機自動完成取指令和執行指令的任務，控制器就是專用于完成此項任務的，它負責協調并控制計算機各部件執行程式的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令、執行指令。

1、取指令

控制器必須具備能自動的從存儲器中取出指令的功能。

2、分析指令

其一、分析此指令要完成什麼操作，即控制器需發出什麼操作指令。

其二、分析參與這次操作的操作數位址，即操作數的有效位址

3、執行指令

執行指令就是根據分析指令産生的操作指令和操作數位址的要求，形成操作控制信号序列，通過對運算器、存儲器和I/O裝置的操作，執行每條指令。

CPU中的寄存器分為兩大類：一類是屬于使用者可見寄存器；另一類屬于控制和狀态寄存器；

使用者可見寄存器：

1、通用寄存器

2、資料寄存器

3、位址寄存器

4、條件碼寄存器

控制和狀态寄存器：

1、MAR：存儲器位址寄存器

2、MDR：存儲器資料寄存器

3、PC：程式計數器

4、IR：指令寄存器

控制單元和中斷系統

控制單元CU是提供完成計算機全部指令操作的微操作指令序列部件。

指令周期

CPU每取出并執行一條指令所需的全部時間稱為指令周期。

包括取指周期和執行周期。

一個完整的指令周期包括取指、間址、執行和中斷4個自周期，這4個周期又稱為CPU的工作周期。

指令周期的資料流

1、取指周期的資料流

2、間址周期的資料流

3、執行周期的資料流

4、中斷周期的資料流

指令流水

1、提高器件的性能

2、改進系統的結構，開發系統的并行性

指令流水的原理

把指令的處理流程分為取指令和執行指令兩個階段，在不采用流水技術的計算機裡，取指令和執行指令是周而複始的重複出現，各條指令按順序串行執行的。

兩條指令重疊，就是指令的二級流水。

指令處理過程分解為更細的幾個階段：

1、取指（FI）

2、指令譯碼（DI）

3、計算操作數位址（CO）

4、取操作數（FO）

5、執行指令（EI）

6、寫操作數（WO）

影響流水線性能的因素

結構相關、資料相關、控制相關

結構相關

是當指令在重疊執行過程中，不同指令争用同一功能部件産生資源沖突時産生的，故又有資源相關之稱。

資料相關

資料相關是流水線中的各條指令因重疊操作，可能改變對操作數的讀寫通路順序，進而導緻了資料相關沖突。

控制相關

主要是由轉移指令引起的。

流水線的性能

1、吞吐率

2、加速比

3、效率

流水線中的多發技術

1、超标量技術

2、超流水線技術

3、超長指令字技術

流水線結構

1、指令流水線結構

2、運算流水線

中斷系統

1、引起中斷的各種因素

人為設定的中斷

程式性事故

硬體故障

I/O裝置

外部事件

中斷請求标記和中斷判優邏輯

1、中斷請求标記

為了判斷是哪個中斷源提出了請求，在中斷系統中必須設定中斷請求标記觸發器，簡稱中斷請求觸發器，記作INTR。

2、中斷判優邏輯

硬體排隊

軟體排隊

中斷服務程式入口位址的尋找

1、硬體向量法

2、軟體查詢法

中斷響應

1、響應中斷的條件

2、響應中斷的時間

3、中斷隐指令

保護程式斷點

尋找中斷服務程式的入口位址

關中斷

中斷屏蔽技術

1、多重中斷的概念

2、實作多重中斷的條件

提前設定“開中斷”指令

優先級别高的中斷源有權中斷優先級别低的中斷源

3、屏蔽技術

屏蔽觸發器與屏蔽字

屏蔽技術可改變優先等級

屏蔽技術的其他作用

4、多重中斷的斷點保護