计算机组成原理 - 8.CPU的结构与功能


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
  1. 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
  1. 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
  1. 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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文章作者: MengXin
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