【计算机基础】CPU的结构和功能

总线
CPU的结构和功能
输入输出系统
指令系统
存储器

CPU的结构

CPU的功能

控制器

• 取指令 分析指令 执行指令
• 控制程序输入输出
• 总线管理
• 处理异常和特殊请求

运算器

实现算数运算和逻辑运算

CPU的结构框图

寄存器

寄存器可以分为控制寄存器和状态寄存器

• 控制寄存器，控制CPU操作，比如MAR,MDR这种用户不可见的，以及PC这种用户可见的
• 状态寄存器，存放程序状态字等，比如PSW寄存器

CU

负责操作控制和时间控制

ALU

负责数据运算

中断系统

中断系统就是负责处理中断的

指令周期

什么是指令周期

从取出一条指令开始到指令执行结束的全部时间

完成一条指令需要需要很多操作，主要分为两大步：

• 取指令和分析
• 执行

不同的指令指令长度肯定不同，有的只有取指

在指令周期快结束的时候，还有个中断周期，检测是否有中断，有的话取执行中断服务程序，另外如果有间接地址，还有个间址周期

控制器在指令周期不同阶段当然也有不同的命令

指令周期的数据流

取指周期的数据流

• PC 取那条指令
• MAR 存储器所需要的地址
• MDR 数据保存
• CU 控制，发出内存读命令
• IR 指令保存

注:第3步存储器知道了要读的地址，然后由CU发出读命令

间接周期的数据流

首先取出操作数地址，地址在存储器当中，假设取得这个地址的内存单元地址在MDR中，我们把MDR地址码部分送给MAR

经过这几步，MDR中真正保存了操作数的地址

执行周期的数据流

不同指令是不一样的

中断周期数据流

• 保存断点，保存在某个内存单元中，这个地址由CU指派
• 形成中断服务程序入口地址，也是由CU给出，也就是下面的步骤9

• CU给出的是地址
• MAR把地址传送给存储器
• CU发出写命令
• 保存断点，断点在PC里面，送给MDR，MDR保存到存储单元
• 形成中断服务程序入口地址，这个由CU给出

指令流水

如何提高机器速度

• 提高访存速度
• 提高IO速度，比如DMA，IO处理机
• 提高运算器速度
• 提高整机处理能力

系统的并行性

并行主要分为粗粒度和细粒度

• 粗粒度，比如两个程序，一般通过软件，比如OS
• 细粒度，指令级的，多条指令同时处于被解释执行状态，通过硬件实现

指令流水原理

首先，我们在上一讲，已经被指令的执行分为很多阶段，比如取指令阶段，间指令阶段等

假设只有取指令和执行两个阶段

首先我们瞅瞅串行指令:

但是我们上一讲已经说了，取指令和执行部件一般不一样，所以有硬件空闲

所以我们这里有了二级流水方式:

当然，上面是一种理想形式下，但是并不是所有流水线都是理想流水线，并且指令之间也有相关性，比如

执行时间很长，取指令比较短，我们可以加个缓冲区，缓冲取指令取出来的指令

条件转移指令也有影响，万一有个JMP指令，必须上一个指令完成才知道，比如我们可以分支预测，这个这里不说了

指令的六级流水的例子:

FI 取指令
DI 指令译码
CO 形成操作数地址
FO 取操作数
EI 执行
WO 结果写回

影响指令流水线性能的因素

结构相关

不同的指令争用同一个功能部件

解决方式:

• 冲突指令可以停顿一下
• 指令存储器和数据存储器分开，也就是不同的cache分开
• 指令预取，可以先取来

数据相关

不同的指令可能会改变操作数读写顺序，结果读或者写不正确的数据

解决方式:

• 后推法，推后读或写，后面的等待，但是这样效率降低了