计组笔记 05 中央处理器

第5章 中央处理器

1 基本概念与功能

• CPU 定义：中央处理器，计算机的核心部件，负责解释并执行指令，完成运算和控制。
• CPU 的主要功能：
  1. 指令控制：按照程序顺序取指、译码、执行。
  2. 操作控制：向存储器、ALU、I/O 发出控制信号，协调数据传送。
  3. 时间控制：提供统一的时钟信号，保证操作先后顺序。
  4. 数据加工：通过 ALU 执行算术运算和逻辑运算。
  5. 中断处理：响应外设或内部中断，改变执行流程。

---

2 CPU 的组成

2.1 运算器（ALU）

• 功能：算术运算、逻辑运算、移位运算。
• 标志位（PSW 部分）：
  • ZF：零标志
  • CF：进位标志
  • OF：溢出标志
  • SF：符号标志

2.2 控制器（CU）

• 功能：
  • 取指令、分析指令、执行指令。
  • 产生控制信号，指挥各部件协作。

2.3 主要寄存器

• PC（程序计数器）：存放下一条指令地址。
• IR（指令寄存器）：存放当前正在执行的指令。
• AR（地址寄存器）：存放访问内存的地址。
• DR（数据寄存器）：存放临时数据。
• AC（累加器）：通用算术寄存器。
• PSW（程序状态字）：保存条件码与状态信息。

---

3 CPU 工作过程

3.1 指令周期

• 构成：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期。
• 执行步骤：
  1. PC → MAR（地址）
  2. 内存 → MDR（取指）
  3. MDR → IR（存指令）
  4. CU → 分析指令
  5. 执行 → ALU 或存储器 → 结果写回

3.2 数据流向

• 取指：PC → MAR → 存储器 → MDR → IR。
• 执行：操作数通过 MDR 输入 ALU → 运算 → 写回 AC 或存储器。

3.3 时间单位

• 时钟周期：最小时间单位。
• 机器周期：一个基本操作（如取指）的时间，包含若干时钟周期。
• 指令周期：完成一条指令的时间，包含若干机器周期。

关系：时钟周期 < 机器周期 < 指令周期。

---

4 控制方式与控制器类型

4.1 控制方式

• 同步控制：统一时钟信号驱动，操作同步。优点：实现简单；缺点：速度受限。
• 异步控制：通过“握手协议”通信（请求/响应信号）。优点：灵活高效；缺点：实现复杂。
• 联合控制：结合两者优点。

4.2 控制器类型

• 硬布线控制器：用组合逻辑电路直接产生控制信号。
  • 优点：速度快；缺点：修改困难。
• 微程序控制器：把控制信号写入微指令，存放在控制存储器中。
  • 优点：灵活，易扩展；缺点：速度相对慢。
• 硬布线控制器：快、不灵活。
• 微程序控制器：灵活、速度慢。

---

5 微操作与微程序

• 微操作：最小操作单位（如 PC→MAR）。
• 微命令：发出控制信号，完成某个微操作。
• 微指令：多个微命令的集合。
• 微程序：执行一条机器指令所需的微指令序列。

5.1 微程序执行过程

• 取指微操作：PC → MAR → 内存 → MDR → IR。
• 执行微操作：CU 根据 IR 译码 → 控制信号驱动 ALU/寄存器。

5.2 微程序存储

• 存放在 控制存储器（CM），通常是 ROM / PROM / EPROM / EEPROM。

---

6 指令流水线

6.1 基本概念

• 流水线定义：将指令执行分解为多个阶段（如取指、译码、执行、访存、写回），多条指令可在不同阶段同时处理，从而提高执行效率。

6.2 流水线性能

• 吞吐率（TP）：单位时间内完成的指令条数。
• 加速比（S）：非流水时间 ÷ 流水时间。
• 效率（E）：流水线实际吞吐率 ÷ 理论吞吐率。

6.3 影响流水线性能的因素

• 流水线各段时间平衡性：若有瓶颈段，则降低效率。
• 流水线装入/排空时间：第一条指令完成需要额外时间。
• 冲突因素：结构冲突、数据冲突、控制冲突。

6.4 冲突类型

• 结构冲突：硬件资源不足（如取指与访存同时访问内存）。
• 数据冲突：后一条指令需要前一条结果。
• 控制冲突：分支指令导致执行流不确定。

解决办法：

• 结构冲突：增加硬件资源。
• 数据冲突：结果转发、插入空操作。
• 控制冲突：分支预测、延迟分支。

6.5 流水线分类

• 静态流水线：各段功能固定。
• 动态流水线：功能可动态分配。
• 超标量结构：每个时钟周期可发射多条指令并行执行。

---

7 高频考点 & 易混点

• 寄存器区别
  • PC：下一条指令地址
  • IR：当前指令
  • DR：临时数据
  • AC：算术运算寄存器
  • PSW：保存状态标志
• 控制存储器一般用 ROM，而不是 RAM。
• 一个指令周期可能包含多个机器周期。
• 流水线性能不会达到理论最大值，因为有冲突和装入/排空损耗。

---

8 速记

• CPU 功能：指令、操作、时间、中断、运算。
• 寄存器口诀：PC（地址）IR（指令）AR（地址）DR（数据）AC（运算）PSW（状态）。
• 控制器对比：硬布线快难改，微程序慢灵活。
• 指令周期：取 → 译 → 执 → 中。
• 流水线口诀：
  • 性能三指标：吞吐率、加速比、效率
  • 三冲突：数（数据）、控（控制）、结（结构）
  • 分类：静态 / 动态 / 超标量