计算机组成原理学习笔记——五、中央处理器CPU

文章目录

• 五、中央处理器CPU
• 5.1 CPU的功能和基本结构
• • CPU基本结构
  • 习题：
• 5.2 指令执行过程
• • 指令周期
  • 习题：
• 5.3 CPU数据通路
• • 习题：P192
• 5.4 控制器的功能和工作原理
• • 硬布线控制器：
  • 微程序控制器：
  • 微指令的编码方式：
  • • 直接编码方式
    • 微地址形成方式：
    • 微指令格式：
  • 微程序控制器与硬布线控制器的对比
  • 习题：
• 5.5 指令流水线
• • 分类
  • 影响因素
  • 性能指标：
  • 基本技术
  • • 超标量流水线技术
    • 超流水线（空间（资源）换时间）
    • 超长指令字
  • 习题

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五、中央处理器CPU

5.1 CPU的功能和基本结构

运算器：对数据进行加工；控制器：负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列。

CPU基本结构

运算器：ALU、ACC、通用寄存器组（AX、BX、CX、DX、SP）、PSW（OP、SP、ZF、CF）、移位器、计数器（CT）；

控制器：PC、IR、指令译码器（无地址译码器）、MAR、MDR、时序系统、微操作信号发生器；

寄存器分类：用户可见（通用寄存器组、PSW）；用户透明（MAR、MDR/IR）；

习题：

12.程序计数器的位数=存储器地址的位数->取决于存储器的容量；

13.指令寄存器的位数取决于指令字长；

14.CPU中通用寄存器的位数取决于机器字长；

19.指令译码器仅对指令的操作码字段进行译码；

20.CPU中不包括地址译码器；

23.

24.CPU中有哪些专用寄存器

CPU中专用寄存器有程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、存储器数据寄存器（MDR）、存储器地址寄存器（MAR）和程序状态字寄存器(PSW）

5.2 指令执行过程

指令周期

指令周期的数据流：

见书P184;

习题：

7.跳转指令指令周期内，PC值被修改2次。

11.机器周期通常由存取周期来确定。

15.

A

16.

取指操作是控制器固有的功能，不需要在操作码控制下完成。

控制器可以区分存储单元中存放的是指令还是数据；

18.

5.3 CPU数据通路

习题：P192

答案：

5.4 控制器的功能和工作原理

硬布线控制器：

由复杂的组合逻辑门和一些触发器构成，又称为组合逻辑控制器。

硬布线控制单元图：

CU的输入信号来源：

（1）经指令译码器译码产生的指令信息。

（2）时序系统产生的机器周期信号和节拍信号

（3）来自执行单元的反馈信号即标志。

注意：控制单元还接收来自系统总线（控制总线）的控制信号，如中断请求、DMA请求。

CPU的控制方式：

同步控制方式、异步控制方式、联合控制方式

微程序控制器：

微指令的编码方式：

直接编码方式

直接编码（直接控制）方式无需译码

互斥性微命令组合在同一字段；相容性微命令组合在不同字段中；

微地址形成方式：

（1）直接由微指令的下地址字段指出，又称为断定方式；

（2）根据机器指令的操作码形成

微指令格式：

一条水平型微指令定义并执行几种并行的基本操作；

一条垂直型微指令定义并执行一种基本操作；

考虑到需要形成后继指令地址，

微程序控制器与硬布线控制器的对比

习题：

3．

4．形成微程序入口地址的是机器指令的操作码字段；

9．

硬布线控制器相比于微指令控制器时序系统更为简单；

12．

水平型微指令微指令字长，微程序短；垂直型微指令则相反

18．

20．

状态条件寄存器属于运算器部件；

5.5 指令流水线

分类

影响因素

数据相关解决方法：

控制相关解决方法：

性能指标：

吞吐率、加速比、效率

基本技术

超标量流水线技术

超流水线（空间（资源）换时间）

每个时钟周期内可并发多条独立指令，即以并行操作方式将两条或多条指令编译并执行，为此需配置多个功能部件。

在一个时钟周期内再分段，在一个时钟周期内一个功能部件使用多次。

超长指令字

习题

3.流水CPU利用的是时间并行性；大多数CISC也使用流水线技术；

4.

5.

6.按序流水线只会发生RAW相关，不会发生WAR、WAW相关；

15.