计算机组成原理(5):中央处理器-考研笔记

5.1 CPU 的功能和基本结构

基本结构

• 运算器
  • 算数逻辑运算
  • 暂存寄存器
  • 累加寄存器
  • 通用寄存器组
  • 程序状态寄存器
  • 移位器
  • 计数器
• 控制器
  • 程序计数器
  • 指令寄存器
  • 指令译码器
  • 存储器地址寄存器
  • 存储器数据寄存器
  • 时序系统
  • 微操作信号发生器

5.2 指令执行过程

指令周期

• 取址周期
• 间址周期
  • 取操作数有效地址并存至 MDR
• 执行周期
• 中断周期

指令周期数据流

指令执行方案

• 单指令周期
• 多指令周期
• 流水线方案

5.3 数据通路的功能和基本结构

数据通路的功能

• 数据在功能部件间传送的路径

数据通路的基本结构

• CPU 内部单总线方式
• CPU 内部三总线方式
• 专用数据通路方式

5.4 控制器的功能和工作原理

控制器的结构和功能

硬布线控制器

• 又称组合逻辑控制器
• 硬布线控制器时序系统
  • 时钟周期
    • 节拍发生器
  • 机器周期
    • 一般以存取周期作为基准时间
  • 指令周期
• 微操作命令
• CPU 的控制方式
  • 同步控制方式
    • 控制电路简单但运行速度慢
  • 异步控制方式
    • 各部件按自身固有速度工作，通过应答方式联络
  • 联合控制方式
    • 大部分采取同步控制，小部分采取异步控制

微程序控制器

• 将机器指令编写成一个微程序。将微操作信号代码化。
• 基本术语
  • 微命令与微操作
    • 相容性互斥性
  • 微指令与微周期
  • 主存储器与控制存储器
  • 程序与微程序
  • 微地址寄存器(CMAR)
  • 微指令寄存器(CMDR)
• 控制器的组成
  • 控制存储器（CM or CS）
    • 存放微程序
  • 微指令寄存器
  • 微地址形成部件
  • 微地址寄存器
• 微程序控制器工作过程
  1. 取微指令公共操作
  2. 将机器指令确定操作码对应的微程序入口送入 CMAR
  3. 从 CM 中逐条取出微指令并执行
  4. 执行完成后回到取址微程序的入口地址，重新进行1。
• 微指令编码方式
  • 目标
    • 保证速度
    • 尽可能短
  • 直接编码方式
    • 无需移码
      • 优点快，无需译码，方便并行，缺点是字过长
  • 字段直接编码方式
    • 将微命令字段分成若干小字段，互斥的放在一个子段，相容的分开，每个子段单独编码
    • 可以缩短指令字长，但需要译码，所以稍慢
    • 分段原则
      • 互斥在一起，相容分开
      • 每个小段信息不能过多避免译码时间过长
      • 每个小段需要一个状态表示不发出微命令，通常000
  • 字段间接编码方式
    • 由其他子段某些微命令解释
    • 字短，速度慢，不易并行，仅用于辅助
• 微指令的地址形成方式
  • 断定方式
  • 根据机器操作码
  • 增量计数器法 (CMAR) + 1 -> CMAR
  • 根据各种标志决定转移地址
  • 通过网络测试形成
  • 硬件直接产生
• 微指令格式
  • 水平型微指令
    • 指令中的一位对应一个控制信号
    • 优点快，缺点长
  • 垂直型微指令
    • 微操作码编译法
  • 混合型微操作
• 微程序控制单元设计
• 动态微程序设计
  • 根据要求可改变微程序，通常需要 EPROM
• 毫微程序设计
  • 进一步用耳机控制存储器中的豪微程序来解释

微程序控制器与硬布线控制器对比

	微程序控制器	硬布线控制器
执行速度	慢	快
规整性	较规整	繁琐、不规整
应用场合	CISC CPU	RISC CPU
易扩充性	易扩充和修改	困难

5.5 指令流水线

流水线方式

• 依靠多个部件并行工作来缩短执行时间
• 每个功能段部件需要一个缓冲寄存器（锁存器）
• 流水线个阶段时间需要尽量相等
• 同一种任务时效率较高
• 需要装入时间和排空时间

流水线的分类

• 按级别
  • 部件功能级
    • 将复杂的逻辑运算组成流水线工作方式
  • 处理机级
    • 将一条指令的解释过程分为多个子过程
  • 处理机间级
    • 宏流水？
• 按功能
  • 单功能流水线
  • 多功能流水线
• 按动态静态
  • 静态
    • 按单一连接方式
  • 动态
    • 能提高效率，但控制比较复杂
• 按是否线性
  • 线性
    • 不存在反馈回路
  • 非线形
    • 存在反馈回路，一些功能可以多次通过流水线

影响流水线的因素

• 数据冲突（数据冒险）
  • 处理方式
    • 硬件阻塞（空泡）
    • 设置专用通路
    • 编译器进行优化
• 控制冲突（控制冒险）
  • 处理方式
    • 简单（静态）预测
    • 动态预测
    • 两个分支都预取
    • 提前形成条件码

流水线性能指标

• 流水线吞吐率 $TP = n / T_k$，其中 $TP$ 为吞吐率，$n$ 是任务数，$T_k$ 是处理 $n$ 个任务所需时间
• 流水线加速比 $S = T_0/T_k$，其中$T_0$ 为不使用流水线的时间，$T_k$ 表示使用流水线的时间
• 流水线的效率 E = n 个任务实际占用的时空有效面积/时空总面积

超标量流水线

• 超标量流水线技术
  • 每个时钟周期内并发多条独立指令
• 超流水线技术
  • 对每个时钟周期再分段
• 超长指令字