计组--中央处理器

中央处理器

思维导图：

CPU的功能和基本结构

组成

• 运算器

  运算器的功能是对数据进行加工。

• 控制器

  控制器的功能是负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，包括取指令、分析指令和执行指令。

• 寄存器

具体功能

• 指令控制

  完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序执行。

• 操作控制

  一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU 管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

• 时间控制

  对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另外，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。

• 数据加工

  对数据进行算术运算和逻辑运算处理。

• 中断处理

  对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理。

基本结构

• 1. 运算器

  运算器接收从控制器送来的命令并执行相应的动作，对数据进行加工和处理。
  组成：主要由算术逻辑单元（ALU）、暂存寄存器、累加寄存器（ACC）、通用寄存器组、程序状态字寄存器（PSW）、移位器、计数器（CT）等组成。

• 2. 控制器

  控制器是整个系统的指挥中枢，在控制器的控制下，运算器、存储器和输入输出设备等功能部件构成一个有机的整体，根据指令的要求指挥全机协调工作。
  控制器的功能是取指令、分析指令和执行指令，并产生有关操作的控制信号。
  控制器的基本功能是执行指令，每条指令的执行是由控制器发出的一组微操作实现的。
  组成：由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、存储器地址寄存器（MAR）、存储器数据寄存器（MDR）、时序系统和微操作信号发生器等组成。
  工作原理：根据指令操作码、指令的执行步骤（微命令序列）和条件信号来形成当前计算机各部件要用到的控制信号。计算机整机各硬件系统在这些控制信号的控制下协同运行，产生预期的执行结果。

  • 硬布线控制器
  • 微程序控制器

CPU模型

指令执行过程

指令周期

• CPU从主存（内存）中取出并执行一条指令的时间称为指令周期
• 指令周期–>机器周期（CPU周期）–>时钟周期（节拍、T）

指令周期的数据流

• 1. 取指周期
• 2. 间址周期
• 3. 执行周期
• 4. 中断周期

指令执行方案

• 1. 单指令周期
• 2. 多指令周期
• 3. 流水线周期

数据通路的功能和基本结构

定义

• 数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路，包括数据通路上流经的部件，如ALU、通用寄存器、状态寄存器、异常和中断处理逻辑等

功能

• 实现CPU内部的运算器与寄存器及寄存器之间的数据交换

基本结构

• 1. CPU内部单总线方式

  将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共通路上；
  结构简单，性能较低

• 2. CPU内部三总线方式

  将所有寄存器的输入端和输出端都连接到多条公共通路上，相较单总线方式，效率较高。

• 3. 专用数据通路方式

  根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路，避免使用共享的总线，性能较高，但硬件量大。

控制器的功能和工作原理

1. 控制器的结构和功能

• 结构

• 功能

  控制器是计算机系统的指挥中心，主要功能有：
  从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置
  对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作
  指挥并控制CPU、主存、输入和输出设备之间的数据流动方向
  根据控制器产生产生微操作控制信号的方式的不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器。

2. 硬布线控制器

3. 微程序控制器

异常和中断机制

异常

• 由CPU内部产生的意外事件；

  异常是CPU执行一条指令时，由CPU在其内部检测到的、与正在执行的指令相关的同步事件。

• 分类

  • 故障（Fault）
  • 自陷（Trap）
  • 终止（Abort）

中断

• 由CPU外部的设备向CPU发出的中断请求被称为中断；

  中断是一种典型的由外部设备触发的、与当前正在执行的指令无关的异步事件。

• 分类

  • 可屏蔽中断
  • 不可屏蔽中断

异常和中断的响应过程

• 1. 关中断
• 2. 保存断点和程序状态
• 3. 识别异常和中断并转到相应的处理程序

指令流水线（重要）

基本概念

表示方法

基本实现

流水线的冒险与处理

流水线的性能指标

• 吞吐率
• 加速比

高级流水线技术

• 1. 超标量流水线技术
• 2. 超长指令字技术
• 3. 超流水线技术

多处理器基本概念（了解）

SISD、SIMD、MIMD

硬件多线程

• 1. 细粒度多线程
• 2. 粗粒度多线程
• 3. 同时多线程

多核处理器

共享内存多处理器

小结