[计算机组成原理]—8.CPU的结构与功能(详细)

文章目录

• 思维导图：
• 一、CPU的结构
• 1.CPU的功能
• 2.CPU的结构框图
• 3.CPU的寄存器
• 4.控制单元和中断系统
• 5.ALU
• 二、指令周期
• 1.指令周期的基本概念
• 2.指令周期的数据流
• 三、指令流水
• 1.如何提高机器速度
• 2.系统的并行性
• 3.指令流水原理
• 4.影响流水线性能的因素
• 5.流水线性能
• 6.流水线中的多发技术
• 7.流水线结构
• 四、中断系统
• 1.概述
• 2.中断请求标记和中断判优逻辑
• 3.中断服务程序入口地址寻找
• 4.中断响应
• 5.保护现场和恢复现场
• 6.多重中断

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思维导图：

一、CPU的结构

1.CPU的功能

控制器的功能

• 取指令：指令控制
• 分析指令：操作控制
• 执行指令，发出各种操作命令控制程序输入及结果的输出：时间控制
• 总线管理：处理中断
• 处理异常情况和特殊请求：数据加工

运算器的功能

实现算术运算和逻辑运算

2.CPU的结构框图

3.CPU的寄存器

用户可见寄存器

1. 通用寄存器

• 存放操作数
• 可作某种寻址方式所需的专用寄存器

2. 数据寄存器

• 存放操作数（满足各种数据类型）
• 两个寄存器拼接存放双倍字长数据

3. 地址寄存器

• 存放地址，其位数应满足最大的地址范围
• 用于特殊的寻址方式 段基值 栈指针

4. 条件码寄存器

• 存放条件码，可作程序分支的依据
• 如 正、负、零、溢出、进位等

控制和状态寄存器

• 控制寄存器

  PC -> MAR ->M -> MDR -> IR

  控制CPU操作：

  MAR、MDR、IR ： 用户不可见

  PC ： 用户可见

• 状态寄存器

  状态寄存器：存放条件码

  PSW寄存器：存放程序状态字

4.控制单元和中断系统

5.ALU

二、指令周期

1.指令周期的基本概念

指令周期

每条指令的指令周期不同

具有间接寻址的指令周期

带有中断周期的指令周期

指令周期流程

CPU 工作周期的标志

2.指令周期的数据流

取指周期数据流

间址周期数据流

执行周期数据流

不同指令的执行周期数据流不同

中断周期数据流

三、指令流水

1.如何提高机器速度

1.提高访存速度

高速芯片 Cache 多体并行

2.提高 I/O 和主机之间的传送速度

中断 DMA 通道 I/O 处理机 多总线

3.提高运算器速度

高速芯片 改进算法 快速进位链

4.提高整机处理能力

高速器件 改进系统结构 ，开发系统的并行性

2.系统的并行性

并行的概念

并发：两个或两个以上事件在 同一时刻 发生

同时：两个或两个以上事件在 同一时间段 发生

并行性的等级

过程级（程序、进程） 粗粒度 软件实现

指令级（指令之间） 细粒度 硬件实现

3.指令流水原理

指令串行

指令二级流水

影响指令流水效率加倍的因素

指令的六级流水

4.影响流水线性能的因素

结构相关:不同指令争用同一功能部件产生资源冲突

数据相关:不同指令因重叠操作，可能改变操作数的 读/写 访问顺序

控制相关:由转移指令引起

5.流水线性能

吞吐率:单位时间内 流水线所完成指令 或 输出结果 的 数量

加速比 Sp:m 段的 流水线的速度 与等功能的 非流水线的速度 之比

效率:流水线中各功能段的 利用率

6.流水线中的多发技术

超标量技术

超流水线技术

超长指令字技术

7.流水线结构

指令流水线结构

运算流水线

四、中断系统

1.概述

引起中断的各种因素

(1) 人为设置的中断 ：如 转管指令

(2) 程序性事故：溢出、操作码不能识别、除法非法

(3) 硬件故障

(5) 外部事件

(4) I/O设备：用键盘中断现行程序

中断系统需解决的问题

(1) 各中断源向CPU提出请求

(2) 各中断源同时提出请求怎么办 ？

(3) CPU什么条件、什么时间、 以什么方式，响应中断 ？

(4) 如何保护现场 ？

(5) 如何寻找入口地址 ？

(6) 如何恢复现场，如何 返回 ？

(7) 处理中断的过程中又出现新的中断怎么办 ？

2.中断请求标记和中断判优逻辑

中断请求标记INTR

中断判优逻辑

• 硬件实现（排队器）

  

• 软件实现（程序查询）

  

3.中断服务程序入口地址寻找

硬件向量法

软件查询法

4.中断响应

响应中断的条件

允许中断触发器 EINT = 1

响应中断的时间

中断隐指令

5.保护现场和恢复现场

保护现场

断点: 中断隐指令完成

寄存器内容: 中断服务程序完成

恢复现场

6.多重中断

多重中断的概念

实现多重中断的条件

屏蔽技术

• 屏蔽触发器的作用

  

• 屏蔽字

  

• 屏蔽技术可改变处理优先等级

  

多重中断的断点保护

• 断点进栈(中断隐指令)

• 断点存入“ 0 ” 地址(中断隐指令)

  

• 程序断点存入 “ 0 ” 地址的断点保护

  

注：本文章除思维导图，其他图片来源于课程PPT。

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