CPU的功能和结构

  • 功能：指令控制、操作控制、时间控制、数据加工、中断处理
  • 基本结构：ALU、寄存器、中断系统、CU
  • 运算器：算术逻辑单元(ALU)、通用寄存器组、暂存寄存器、累加寄存器(ACC)、程序状态字寄存器(PSW)、移位器、计数器
  • 控制器：程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器、微操作信号发生器、时序系统、存储器地址寄存器(MAR)、存储器地址寄存器(MDR)

指令执行过程

  • 指令周期：机器周期->时钟周期
  • 数据流：取值周期、间指周期、执行周期、中断周期
  • 执行方案：单指令周期、多指令周期、流水线方案

数据通路的功能和基本结构

专用通路(多路选择器MUX、三态门)、内部总线(ALU需要配合暂存器使用)

控制器的功能和工作原理

  • 功能：取指令、分析指令、执行指令
  • 硬布线(RISC)：微操作控制信号即时产生。分析每个阶段的微操作序列、选择CPU的控制方式、安排微操作时序、电路设计
  • 微程序(CISC)：微操作控制信号存储在控制存储器。微地址形成部件、微地址寄存器(CMAR)、控制存储器(CM)、微指令寄存器(CMDR)

指令流水线

  • 定义：取指、分析、执行

影响因素

  • 结构相关(资源冲突)：暂停相关指令、资源重复配置
  • 数据相关：暂停相关指令：硬件stall、软件NOP、数据旁路技术、编译优化，调整指令顺序
  • 控制相关：分支预测、预取两个方向的指令、加快和提前形成条件码、提高转移方向的猜准率

多发技术：超标量流水线、超流水线、超长指令字