文章目錄

• • CPU的功能和基本結構
  • 指令執行過程
  • 數據通路的功能和基本結構
  • 控制器的功能和工作原理
  • 指令流水線

CPU的功能和基本結構

CPU的功能：

運算器和控制器的功能：

運算器
運算器是指計算機中進行各種算術和邏輯運算操作的部件， 其中算術邏輯單元是中央處理核心的部分。

（1）算術邏輯單元（ALU）。算術邏輯單元的運算主要是進行二位元算術運算，如加法、減法、乘法。在運算過程中，算術邏輯單元主要是以計算機指令集中執行算術與邏輯操作。

（2）中間寄存器（IR）。其長度為 128 位，其通過操作數來決定實際長度。IR 在“進棧并取數”指令中發揮重要作用，在執行該指令過程中，將ACC的內容發送于IR，之后將操作數取到ACC，后將IR內容進棧。

（3）運算累加器（ACC）。當前的寄存器一般都是單累加器，其長度為128位。對于ACC來說，可以將它看成可變長的累加器。

（4）描述字寄存器（DR）。其主要應用于存放與修改描述字中。DR的長度為64位，為了簡化數據結構處理，使用描述字發揮重要作用。

（5）B寄存器。其在指令的修改中發揮重要作用，B 寄存器長度為32位，在修改地址過程中能保存地址修改量，主存地址只能用描述字進行修改。

控制器
控制器是指按照預定順序改變主電路或控制電路的接線和 改變電路中電阻值來控制電動機的啟動、調速、制動與反向的主令裝置。控制器由程序狀態寄存器PSR，系統狀態寄存器SSR， 程序計數器PC，指令寄存器等組成，其作為“決策機構”，主要任務就是發布命令，發揮著整個計算機系統操作的協調與指揮作用。 控制的分類主要包括兩種，分別為組合邏輯控制器、微程序控制器，兩個部分都有各自的優點與不足。其中組合邏輯控制器結構相對較復雜，但優點是速度較快；微程序控制器設計的結構簡單，但在修改一條機器指令功能中，需對微程序的全部重編。

指令執行過程

指令周期
指令周期是取出一條指令并執行這條指令的時間。
一般由若干個機器周期組成，是從取指令、分析指令到執行完所需的全部時間。每個機器周期又由若干個時鐘周期組成。時鐘周期是時鐘頻率的倒數，也可稱為節拍脈沖或T周期，是處理操作最基本的單位。

指令執行方案
一個指令周期通常要包括幾個執行步驟，每個步驟完成指令的部分功能；通常有以下幾種方案來安排指令的執行步驟：

1、單指令周期
對所有指令都選用相同的執行時間來完成。
指令之間串行執行，指令周期取決于執行時間最長的指令的執行時間。

2、多指令周期
對不同類型的指令選用不同的執行步驟來完成。
指令之間仍然是串行，但可選用不同的時鐘周期來完成不同指令的執行過程，指令需要幾個周期就為其分配幾個周期，而不要求所用指令的執行時間相同。

3、流水線方案
指令之間可以并行執行的方案。
其追求的目標是力爭在每個時鐘周期完成一條指令的執行過程（理想情況下），此方案通過在每個時鐘周期啟動一條指令，盡量讓多條指令同時運行，但各自處在不同的執行步驟中。

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，要求訪問的數據序列是不同的。對于不同的指令，數據流往往也是不同的。

1.取指周期

取指周期是指令周期的第一個階段，也稱取指令階段。即控制單元執行程序的周期內，從存儲單元取出所要執行的指令的過程。（如Add指令）
“取指”控制單元執行程序的周期內，從存儲單元取出所要執行的指令的過程。

2.間址周期
間址周期是為了取出操作數的有效地址。

3.執行周期
不同指令的執行周期操作命令不一樣，所以無統一格式。

4.中斷周期
任務是處理中斷請求。

數據通路的功能和基本結構

數據在功能部件之間傳送的路徑稱為數據通路。
運算器與各寄存器之間的傳輸路徑就是中央處理器內部數據通路。
數據通路的功能是實現CPU內部的運算器與寄存器，以及寄存器之間的數據交換。

數據通路的功能是實現CPU內部的運算器與寄存器以及寄存器之間的數據交互。

數據通路的基本結構主要有以下3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的通路上，者種結構比較簡單，但數據傳輸存在較多沖突現象，性能較低。如果連接各部件的總線只有一條，稱為單總線結構；如果CPU中由兩條或更多的總線，則構成雙總線結構或多總線結構。
（2） CPU內部三總線方式。將所有寄存器的輸入端和輸出端都接到多條公共的通路上，相比之下單總線中一個時鐘內只允許傳一個數據，而指令執行效率很低，因此采用多總線方式，同時在多個總線上傳送不同數據，提高效率
（3） 專用數據通路方式。根據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，性能比較高，但硬件量大。

常見數據通路的數據傳送：

控制器的功能和工作原理

根據控制器產生微操作控制信號的方式不同，控制器可分為硬布線控制器和微程序控制器，兩類控制器中的PC和IR是相同的，但確定和表示指令執行步驟的辦法以及給出控制各部件運行所需要的控制信號的方案是不同的。

硬布線控制器是早期設計計算機的一種方法。硬布線控制器是將控制部件做成產生專門固定時序控制信號的邏輯電路，產生各種控制信號，因而又稱為組合邏輯控制器。這種邏輯電路以使用最少元件和取得最高操作速度為設計目標，因為該邏輯電路由門電路和觸發器構成的復雜樹型網絡，所以稱為硬布線控制器。
（速度快但電路龐雜不靈活）

微程序控制器是一種控制器，同組合邏輯控制器相比較，具有規整性、靈活性、可維護性等一系列優點，因而在計算機設計中逐漸取代了早期采用的組合邏輯控制器，并已被廣泛地應用。在計算機系統中，微程序設計技術是利用軟件方法來設計硬件的一門技術 。（靈活可維護性好但速度慢）

指令流水線

指令流水線是為提高處理器執行指令的效率，把一條指令的操作分成多個細小的步驟，每個步驟由專門的電路完成的方式。

例如一條指令要執行要經過3個階段：取指令、譯碼、執行，每個階段都要花費一個機器周期，如果沒有采用流水線技術，那么這條指令執行需要3個機器周期；如果采用了指令流水線技術，那么當這條指令完成“取指”后進入“譯碼”的同時，下一條指令就可以進行“取指”了，這樣就提高了指令的執行效率。

總結

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

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