计算机组成原理：中央处理器(1)

一、中央处理器

1.CPU的任务与功能

中央处理器简称CPU，是控制计算机自动完成取指令和执行指令的部件，是计算机的核心部件。
CPU的任务是：
● 取指令：CPU从存储器中读取指令。
● 分析指令：对取得的指令进行译码，确定需要完成的操作。
● 取操作数：根据指令的地址码字段，到存储器、寄存器或IO设备中读取数据。
● 执行指令：对取出的操作数做指令规定的操作，并把结果写入存储器、寄存器或IO设备中。

由此可以得知，CPU的功能是：
● 指令控制：控制程序的执行顺序。
● 操作控制：产生每条指令所需的操作信号，并把信号送往各个部件，控制部件按要求进行操作。
● 时间控制：对各种操作实施时间上的控制。
● 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算，完成数据的加工处理。(这是CPU最根本的任务)

2.CPU的组成

CPU主要由4个部分组成：
● 算术逻辑运算单元：简称ALU，负责完成数据的算术逻辑运算。
● 控制单元：简称CU，用于产生各种控制信号。
● 寄存器组：用于存取指令和数据等信息。
● 中断系统：用于处理异常情况和特殊请求。

有时，也将寄存器组中的寄存器分为控制单元用和ALU用两类，从而将CPU笼统地分成运算器、控制器两部分。

3.主要技术参数

1. 字长：是指在单位时间内同时处理的二进制数据的位数。CPU根据字长可分为8位、16位、32位和64位CPU。
2. 主频：又称内部工作频率，是CPU内时钟信号震荡的速度。其倒数是时钟周期，是CPU最小的时间元素。
3. 外部工作频率：主板为CPU提供的基准时钟频率。
4. 前端总线频率：表示前端总线的数据传输能力。**前端总线(FSB)**是CPU与外界交换数据的主要通道。
5. QPI数据传输速率：**快速通道互联(QPI)**是取代FSB的包传输高速点到点连接技术，QUI数据包为80位。
6. 工作电压：CPU正常工作的电压。
7. 地址总线宽度：决定CPU能够访问的最大物理地址空间，即CPU能使用多大的主存。
8. 数据总线宽度：决定CPU与主存、Cache和IO设备一次数据传输的信息量。

二、寄存器

1.寄存器的分类

计算机中的寄存器主要可以分为两类：

1. 用户可见寄存器：允许机器语言和汇编语言的编程人员访问的寄存器。
   ● 通用寄存器：可由程序员指定功能，可存放操作数或地址。
   ● 数据寄存器：仅可用于保持数据，不能用于操作数地址计算。
   ● 地址寄存器：用于存放地址或特殊寻址方式，如段指针、变址寄存器等。
   ● 标志寄存器：用于保存状态标志的寄存器。(如溢出标志)
2. 控制和状态寄存器：对用户透明，由控制器直接控制的寄存器。
   ● 程序计数器PC：存放下一条待取指令的地址。
   ● 指令寄存器IR：存放最近取得的指令。
   ● 存储器地址寄存器MAR：存有存储器位置的地址。
   ● 存储器数据寄存器MDR：存有最近读出的数据字或将要写入的数据字。

2.六大典型寄存器

下面是六种常见的典型寄存器：

1. 指令寄存器IR：存放当前执行的指令。
2. 程序计数器PC：存放下一条要执行的指令在内存中的地址。
3. 地址寄存器AR：存放将要访问的内存单元的地址。
4. 数据缓冲寄存器DR：存放从内存中读出、或将要写入内存的数据。
5. 通用寄存器：用于存放运算结果或取出操作数。
6. 程序状态字寄存器PSW：存放一些状态标志位。

三、控制器

1.控制器的功能

控制器是计算机系统的指挥中心，把运算器、存储器和输入输出设备等部件组成一个整体，根据指令的要求指挥全机。
控制器的主要功能是：

1. 取指令：根据程序计数器PC的值，取出将要执行的指令存入指令寄存器IR，并指出下一条地址的位置。
2. 分析指令：对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，启动规定的动作。
3. 执行指令：指挥并控制CPU、内存和IO设备之间数据流动的方向。
4. 控制程序数据的输入输出：根据程序安排或人工干预，在适当时向输入输出设备发出命令，完成IO功能。
5. 处理异常和请求：(1)中断请求中止当前执行的程序，执行中断程序；(2)DMA请求暂停工作，为IO设备让出总线。

2.控制器的组成

控制器主要由以下四个部件组成：

1. 指令部件：从内存取指令、并对指令进行译码；主要有：
   ● 程序计数器PC
   ● 指令寄存器IR
   ● 指令译码器：对暂存在IR中的指令进行译码；
   ● 地址形成部件：根据指令的寻址方式，形成有效地址。
2. 时序部件：产生时序信号，保证各功能部件有节奏地进行信息传送、加工和存储；主要有：
   ● 脉冲源：产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号；
   ● 启停控制逻辑：根据需要开放或封锁脉冲，控制时序信号的发生和停止；
   ● 节拍发生器：也称脉冲分配器，产生各个机器周期的节拍信号。
3. 微操作信号发生器：根据指令操作码的译码和时序信号，产生微操作控制信号；
   主要功能是根据指令译码和时序信号产生控制信号，正确选择数据通路，把数据打入寄存器，完成取/执行指令控制。
4. 中断控制逻辑：控制中断的逻辑
   

3.控制器的分类

根据微操作控制信号产生方式的不同，可以将控制器分为：

1. 组合逻辑型（组合逻辑控制器或硬布线控制器）
   采用组合逻辑技术实现，控制单元是门电路组成的复杂树形网络。
2. 存储逻辑型（微程序控制器）
   采用存储逻辑实现。将微操作信号代码化，使每一条机器指令转化为一段微程序存入专门的控制器中。其中微操作信号由微指令产生。
3. 组合逻辑和存储逻辑结合型（可编程逻辑阵列(PLA)控制器）
   PLA控制器实际上也是一种组合逻辑控制器，但它又与常规的组合逻辑控制器的硬联结构不同。是可编程序的，某一微操作控制信号由PLA的某一输出函数产生。

四、时序系统与控制方式

1.时序系统的基本概念

1. 指令周期：从取指令、分析指令到执行指令所需要的全部时间；不同指令的指令周期不同。
2. 机器周期(CPU周期)：所有指令执行的一个基准时间，通常是访问一次内存所需时间；一个指令周期划分为若干机器周期，每个机器周期完成一个基本操作。
3. 时钟周期：又称节拍或状态；一个机器周期分为若干个时钟周期，每个节拍的宽度对应一个时钟周期；每个节拍内机器完成一个或多个同时进行的微操作。

指令周期、机器周期和时钟周期组成多级时序系统。
一个指令周期包含若干个机器周期；一个机器周期包含若干个时钟周期。

2.控制方式的分类

1. 同步控制方式
   固定时序的控制方式，任何一条指令或指令中任何一个微操作的执行，都由一个统一的时序信号控制。
   以最复杂指令的操作时间作为统一的时间间隔。
   特点：设计简单、容易实现、效率低。
2. 异步控制方式
   各操作不采用同一时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间就占用多少时间。
   操作间采用结束-起始信号的应答方式实现衔接。前一项操作结束后发出结束信号，下一个操作接收信号后给出应答信号。
   特点：提高了机器效率，但控制复杂。
3. 联合控制方式
   同步方式与异步方式的结合。
   在功能部件内部采用同步方式(或同步方式为主)，而在功能部件之间采用异步方式。
   通常，CPU内部采用同步方式，CPU通过总线访问外存或外设时采用异步方式。

五、指令周期

1.指令的执行过程

一般情况下，一条指令的执行要经过取指令、取操作数和执行指令三个阶段。对应取指周期、取操作数周期和执行周期。
● 取指阶段

1. 根据PC的值从内存中取出指令送往指令寄存器IR；
2. PC自增1，形成下一指令的地址；
3. 进行指令译码，确定该指令执行的操作。

● 取操作数阶段：主要根据操作数的寻址方式，计算操作数有效地址并取出操作数。

1. 取源操作数
2. 取目的操作数

● 执行阶段：完成指令规定的操作，形成稳定的运算结果，并存入存储器。

指令执行完成后，要检查是否有中断请求，有中断请求需进入中断周期，处理中断；否则继续取指令，执行指令。
取指阶段和执行阶段是每条指令执行的必经阶段。
取操作数阶段并不是所有指令都经过的阶段。

2.五个典型指令的指令周期

● MOV指令

1. CPU周期１：取指周期，共三项操作
   ● 取出指令
   ● PC++
   ● 操作码译码
2. CPU周期２：根据译码结果，执行指令规定的操作。
   

● LDA指令

1. CPU周期１：取指周期。
2. CPU周期２：完成送操作数地址的操作；
3. CPU周期３：取出操作数并装入通用寄存器。
   

● ADD指令

1. CPU周期1：取指周期。
2. CPU周期2：将寄存器的数据送往ALU做加法计算，结果写入寄存器。
   

● STO指令

1. CPU周期1：取指周期。
2. CPU周期2：送操作数地址；
3. CPU周期3：取出操作数并写入数存。
   

● JMP指令

1. CPU周期1：取指周期。
2. CPU周期2：直接指令寄存器中的地址码写入程序计数器PC。
   

由上面的指令对比可以知道，所有指令的取指阶段都是完全相同的，并且只使用一个CPU周期；但指令的执行阶段，由于不同指令的功能不同，所用的CPU周期也不同。

3.方框图语言

计算机设计时，可以采用方框图语言表示指令的指令周期。
具体符号：

1. 方框：一个方框代表一个CPU周期；
2. 方框内内容：数据通路的操作或控制操作；
3. 菱形：判别或测试，时间依附于上一个CPU周期；
4. ～符号：公操作。

上面的五个典型指令可以用方框图语言表示：