计组笔记 P03：中央处理器

1. CPU 的功能和基本结构

CPU 的功能

  • 指令控制：完成取指令、分析指令、执行指令的操作，即程序的顺序控制。
  • 操作控制：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：对各种操作加以时间上的控制。
  • 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算。
  • 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。中断主要指 I/O 中断和硬件故障，而溢出、系统调用等输出异常。

CPU 的基本结构

  • CPU 中包含运算器和控制器，核心部件就是算术逻辑单元 ALU 和控制单元 CU。
    • 运算器中至少包含运算逻辑单元 ALU 和累加器寄存器 ACC、乘商寄存器 MQ、操作数寄存器 X；
    • 控制器中至少包含控制单元 CU 和程序计数器 PC、指令寄存器 IR；
    • 为实现对主存的存取有两个寄存器 MAR 和 MDR。
运算器

包括算术逻辑单元 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。

  • ALU：进行算术、逻辑计算。
  • 暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据，此数据不能放在通用寄存器中，否则会破坏其原有的内容。暂存寄存器对程序员透明。
  • ACC：暂时存放 ALU 的计算结果，也可以作为加法运算的输入端。
  • 通用寄存器组：用于存放操作数和各种地址信息。
  • 程序状态字寄存器 PSW：存放由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，如溢出标志 OP、符号标志 SF、零标志 ZF、进位标志 CF 等。
  • 移位器：对操作数或运算结果进行移位运算。
  • 计数器：控制乘除法运算的操作步骤。
控制器

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。控制器有硬布线控制器和微程序控制器两种类型。

包括程序计数器 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。

  • PC：指出下一条指令在主存中的存放地址，CPU 根据 PC 中的内容去主存中取指令。PC 有自增的功能。
  • IR：存放当前正在执行的那条指令。
  • 指令译码器：对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号。
  • MAR\MDR：存放访存的地址和数据。
  • 时序系统：产生各种时序信号，它们都是由统一时钟分频得到。
  • 微操作信号发生器：产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。

2. 指令执行过程

指令周期

一个指令周期常常包含多个机器周期，一个机器周期又包含若干时钟周期。每个指令周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。

完整的指令周期包括取指周期、间址周期、执行周期、中断周期。4 个周期中都有 CPU 访存，取指周期是为了取指令，间址周期是为了取有效地址，执行周期是为了取操作数，中断周期是为了保存程序断点。

为了区别不同的工作周期，CPU 中内置了 4 个标志触发器 FE、IND、EX 和 INT，分别对应取指、间址、执行和中断周期，以“1”表示有效。

数据流

取指周期

取指周期的任务是根据 PC 中的内容（地址），从主存中取出指令代码并存入 IR，同时 PC 加 1。数据流如下，

  1. PC 中的地址：PC\(\rightarrow\)MAR\(\rightarrow\)地址总线\(\rightarrow\)主存；
  2. CU 发出读命令\(\rightarrow\)控制总线\(\rightarrow\)主存；
  3. 将指令存入 IR：主存\(\rightarrow\)数据总线\(\rightarrow\)MDR\(\rightarrow\)IR；
  4. PC 加 1:CU 发出读命令\(\rightarrow\)PC 内容加 1。
间址周期

间址周期的任务取操作数有效地址。以一次间址为例，数据流如下，

  1. Ad(IR)（取出 IR 中存放的指令字的地址字段）\(\rightarrow\)MAR\(\rightarrow\)地址总线\(\rightarrow\)主存；
  2. CU 发出读命令\(\rightarrow\)控制总线\(\rightarrow\)主存；
  3. 将有效地址存入 MDR：主存\(\rightarrow\)数据总线\(\rightarrow\)MDR。
执行周期

执行周期的任务是根据 IR 中的指令字的操作码和操作数，通过 ALU 操作产生执行结果。没有固定的数据流。

中断周期

中断周期的任务是处理中断请求。以程序断点存入堆栈为例，数据流如下，

  1. CU 控制 SP 减 1，SP\(\rightarrow\)MAR\(\rightarrow\)地址总线\(\rightarrow\)主存；
  2. CU 发出写命令\(\rightarrow\)控制总线\(\rightarrow\)主存；
  3. 将程序断点存入主存堆栈：PC\(\rightarrow\)MDR\(\rightarrow\)数据总线\(\rightarrow\)主存；
  4. 将中断服务程序的入口地址存入 PC：CU（中断服务程序的入口地址）\(\rightarrow\)PC。

指令执行方案

  1. 单指令周期。对所有的指令都选用相同数量的时钟周期来完成，指令之间串行。因此指令周期等于执行时间最长的指令的执行时间，其它指令也使用此指令周期，整个系统的运行速度降低。
  2. 多指令周期。对不同类型的指令选用不同的指令周期，指令之间串行。这样不会浪费时钟周期，但是结构比单指令周期的复杂。
  3. 流水线方案。指令之间并行执行，但各自在不同的执行步骤中。

3. 数据通路

数据通路的功能

运算器和各寄存器之间的传送路径就是中央处理器内部数据通路。数据通路描述了信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器，这些都要加以控制。数据通路的功能是实现 CPU 内部的运算器和寄存器以及寄存器之间的数据交换。

数据通路的基本结构

数据通路的基本结构主要有两种：CPU 内部单总线方式、CPU 内部三总线方式。

  • 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的通路上，这种结构比较简单，但数据传输存在较多的冲突现象，性能较低。
  • CPU 内部三总线方式：同时在多个总线上传送不同的数据，提高效率。

上述两种方式很难在流水线上实现。可采用专用数据通路方式，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，性能高，但硬件量大。

数据通路上的数据流举例：

  • 寄存器之间数据传送，以将 PC 中的内容送至 MAR 为例，
    1. PC\(\rightarrow\)Bus，PCout 有效，PC 的内容送至总线；
    2. Bus\(\rightarrow\)MAR，MARin 有效，总线内容送至 MAR。
  • 主存与 CPU 之间的数据传送，
    1. PC\(\rightarrow\)Bus\(\rightarrow\)MAR，PCout 和 MARin 有效；
    2. 1\(\rightarrow\)R，CU 发出读命令；
    3. MEM(MAR)\(\rightarrow\)MDR，MDRin 有效，主存内容读入 MDR；
    4. MDR\(\rightarrow\)Bus\(\rightarrow\)IR，MDRout 和 IRin 有效，指令存入 IR。
  • 执行算术或逻辑运算，以加法运算为例，
    1. Ad(IR)\(\rightarrow\)Bus\(\rightarrow\)MAR，MDRout 和 MARin 有效，获取有效地址；
    2. 1\(\rightarrow\)R，CU 发出读命令；
    3. MEM(MAR)\(\rightarrow\)MDR，MDRin 有效，操作数存入 MDR；
    4. MDR\(\rightarrow\)Bus\(\rightarrow\)Y，MDRout 和 Yin 有效，操作数存入寄存器 Y；
    5. (ACC)+(Y)\(\rightarrow\)Z，ACCout 和 ALUin 有效，结果存入寄存器 Z；
    6. Z\(\rightarrow\)ACC，Zout 和 ACCin 有效，结果存入 ACC。

4. 运算器 ALU

ALU 是组合逻辑电路，进行多种算术运算和逻辑运算。加减乘除都可以归结为加法运算。

使用逻辑电路实现二进制加法：以求一位二进制相加为例，

  • 半加器：加和 \(= A \ \ \mathrm{XOR} \ \ B\)，进位 \(= A \ \ \mathrm{AND} \ \ B\)。
  • 全加器：加和\(= A \ \ \mathrm{XOR} \ \ B \ \mathrm{XOR} \ \ C_{in}\)，进位\(C_{out}= A \ \ \mathrm{AND} \ \ B + (A \ \ \mathrm{XOR} \ \ B) \ \ \mathrm{AND} \ \ C_{in}\)

多位的加法器分为串行加法器、并行加法器。

  • 串行加法器只有一个全加器，数据逐位串行送入加法器中进行计算，速度非常慢。
  • 并行加法器有多个全加器，同时对多位数据进行计算。将传递进位信号的逻辑线路连接起来构成的进位网络称为进位链，有串行进位和并行进位之分，
    • 串行进位，又称为行波进位，将\(n\)个全加器串接起来使用，进行两个\(n\)位数的相加，进位信号是逐级形成的，因此\(n\)越大进位时间越长。
    • 并行进位，各级进位信号是同时形成的，每一位的逻辑实现不同，硬件构造也不同，硬件设计会很复杂。
    • 分组并行进位，将\(n\)位全加器分成若干个小组，小组内的各位之间并行进位，小组间可并行也可串行。有两种情况：单重分组时组内并行、组件串行，双重分组时组内并行、小组间并行、大组间串行。

对于乘除法，有阵列乘法器、阵列除法器提高运算速度。

5. 控制器 CU

控制器的功能

  • 从主存中取指令，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。

控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器，两类控制器中的 PC 和 IR 是相同的，但确定和表示指令执行步骤的方法，以及给出控制个部件运行所需要的控制信号的方案是不同的。

  • 硬布线控制器：将所有微指令所需的原件连接起来，以硬件来实现指令的控制。

  • 微程序控制器：以程序的方式实现微指令。

6. 指令流水线

将一个指令周期分成 5 个步骤：取指令、读寄存器、ALU 运算、访存、写回寄存器，以流水线的方式执行指令。因此须在流水线的级之间添加寄存器。

流水线冒险

  • 结构冒险：因缺乏硬件支持而导致的问题。如同一时刻两条指令对同一寄存器操作。结构冒险需要在设计流水线时避免。
  • 数据冒险：没有及时对寄存器的数据更新导致的问题。如当前指令所读寄存器正是上一条指令需要写回的寄存器，数据没有得到更新。避免数据冒险的方法可以在原有数据通路上增加旁路（ALU 运算得到结果后就给下一条指令使用，不等到写回阶段），或者在指令间增加空指令。
  • 控制冒险：因程序分支时没有进行判断就进入某个分支导致的问题。避免数据冒险的方法可以在遇到分支指令时阻塞流水线，或者对分支进行预测，预测失败后回退。
posted @ 2020-07-29 23:09  ixtwuko  阅读(587)  评论(0)  编辑  收藏  举报