计算机组成原理-中央处理器-笔记
第五章 中央处理器
CPU的功能和组成
CPU功能
CPU（中央处理器）：控制程序按照设定的方式执行；CPU的主要功能有指令控制、操作控制、时间控制、数据加工
指令控制：控制程序的执行顺序；（顺序寻址、跳跃寻址）
操作控制：对指令的操作码译码后产生对应的控制信号，发送给各部件
时间控制：控制指令、操作的实施时间和先后顺序，维持各类操作的时序关系
数据加工：对数据进行算术逻辑运算，由ALU完成具体的运算
CPU的基本组成
现代CPU的基本组成：运算器、控制器（、片内Cache）
控制器的主要功能：
- 从内存中去除一条指令，并指出下一条指令存放的位置；PC、IR
- 对指令进行译码，产生相应的控制信号；OC（时序产生器和操作控制器）、时序电路、指令译码器
- 控制CPU、内存和输入输出设备之间的数据流动；
运算器的主要功能：
- 执行所有的算术逻辑运算，并进行逻辑测试；ALU、通用寄存器组、标志寄存器
CPU中主要的寄存器
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数据缓冲寄存器（DR）：暂时存放运算器与外界传送的数据
作用：作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站；补偿CPU和内存、外围设备之间的速度差异；
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指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的指令，其对应的操作码字段直接作为指令译码器的输入
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程序计数器（PC）：始终存放下一条指令的地址，对应于指令Cache的访问；其变化方式由顺序执行：PC = PC + 当前指令所占的空间，以及跳跃执行PC = （指令OPR）
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地址寄存器（AR）：保存CPU所访问数据的内存单元地址；
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通用寄存器：暂时存放ALU运算的数据或结果；
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状态条件寄存器（PSW）：保存各种状态和条件控制信号；每一个信号由一个触发器保存，从而拼成一个寄存器
操作控制器与时序产生器
数据通路：两个部件之间传送信息的通路
操作控制器（OC）：根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号；建立正确的数据通路，从而完成指令的执行；
根据设计方法不同，操作控制器可以分为：
- 硬布线控制器：采用时序逻辑技术实现
- 微程序控制器：采用存储逻辑实现
- 前两种方式结合
时序产生器：对各种操作实施时间控制
指令周期
指令周期的基本概念
CPU执行程序是一个”取指令——执行指令“的循环过程。
指令周期：CPU从内存取出一条指令，并执行完毕所需要的时间总和；
CPU周期：又称机器周期，一般为从内存中读取一条指令字的最短时间；一个CPU周期内，可以完成CPU的一个基本操作
时钟周期：也叫节拍脉冲或T周期，是计算机工作的基本时间单位。
指令周期示意图
在计算机组成原理-白中英-第六版中，间址周期被归到执行周期中
不同的指令的指令周期不同（可能含有不同的间址周期、执行周期、中断周期），一条指令可以包含1~多条CPU周期
用方框图语言表示指令周期
方框：代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。
菱形：通常用来表示某种判别或者测试；时间上依附于之前一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期
~：表示一条指令执行完毕，转入公操作；所谓公操作就是一条指令执行完毕后，CPU所开始的一些操作，如处理外围设备请求的处理等。
例子：
时序产生器和控制方式
时序信号的作用：是计算机准确、迅速、有条不紊的工作，相当于CPU的时间表；
CPU通过时序控制来识别指令和数据：
- 指令的周期第一个CPU周期，一定是取指周期，从存储单元中取出的一定是指令，需要送往IR指令寄存器；
- 指令周期的其他周期，是执行周期，从存储单元中取出的一定是数据，需要送往运算器或存储单元
时序信号体制：电位-脉冲制，脉冲到达之前，电平信号必须要稳定；
控制器的时序信号
硬布线控制器的时序信号：常采用 主状态周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制
微程序控制器的时序信号：一般采用 节拍电位-节拍脉冲二级体制
时序信号产生器：用逻辑电路实现时序的控制；
微程序控制器中时序信号产生器的组成：
- 时钟源：提供稳定的基本方波脉冲
- 环形脉冲发生器：产生一组有序的，间隔相等或者不等的脉冲序列；
- 节拍脉冲和读写时序译码逻辑：环形脉冲与节拍脉冲共同作用产生各控制信号的时序；
- 启停控制逻辑
控制方式
同步控制方式
在任何情况下，已定的指令在执行时，所需要的机器周期数和时钟周期数都固定不变。
特点：
- 以指令周期最长的指令为标准，确定指令执行的节拍数
- 控制器产生统一的、顺序固定的、周而复始的节拍电位和工作脉冲；
- 简单指令（指令周期短的指令）可空着一部分节拍不用，也就是说不管什么指令，所需要的执行时间都是相同的。
优点：控制电路简单
缺点：CPU由空闲时间，指令整体速度慢。
异步控制方式
每个指令周期包含的机器周其数目由 联络信号 控制，不固定。
特点：
- 每条指令需要多少节拍就产生多少节拍
- 指令执行完毕发出回答信号
- 控制器接收回答信号就开始执行下一条指令
优点：运行速度快
缺点：控制电路复杂
联合控制方式
- 大部分操作序列为固定的机器周期，对于某些时间难以确定的操作，则以执行部件的 “回答” 信号作为本次操作的结束
- 机器周期节拍脉冲数固定，但各指令的机器周期数不固定。
微程序控制器
原理
微程序技术是利用软件的方法来设计硬件的一门技术；
特点
具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点；逐渐取代了早期的组合逻辑控制器，已被广泛地应用
基本思想
仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放在一个只读存储器里；
当机器运行时操作，一条一条地读取这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使部件按规定执行
控制部件与执行部件之间的联系：控制部件向执行部件发出控制信号，执行部件向控制部件返回状态信息；
微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令
微操作：控制部件接受微指令后所执行的操作；
- 相容性微操作：在同一个CPU周期可以并行执行的微操作
- 相斥性微操作：不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作
状态测试：执行部件通过反馈线向控制部件反映当前操作状态，以使控制部件决定下一步的微命令
微指令
一个CPU周期中，实现一定操作功能的一组微命令的组合。微命令一般包含 操作控制和 顺序控制两大部分；所有微指令都存放在控制存储器中，使用微地址访问
- 操作控制：用于发出管理和指挥全机工作的控制信号；
- 顺序控制：用于决定产生下一条微指令的地址
微程序
能实现一条机器指令功能的多条微指令序列；
每条机器指令都对应着一段微程序
微指令的基本格式
微程序控制器原理框图
控制存储器（CM）
存放实现指令系统所需的全部微指令，由只读存储器构成，要求速度快，读出周期短
微指令寄存器
存放当前正在执行的一条微指令；
由为地址寄存器和微命令寄存器两部分构成
- 微地址寄存器：决定将要访问的下一条微指令的地址；
- 微命令寄存器：保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段
微程序控制器的工作过程
- 取指令微指令，是所有指令的公用微指令；
- 通常存放在控制存储器中的 “0” 地址单元；
- 所有机器指令的最后一条微指令的直接地址都指向 0 地址单元，用以取下一条微指令
- 操作码译码，转入执行周期对应微程序；
- 对机器指令进行操作码译码，将所要执行的微指令的地址送入到微地址寄存器
- 微程序执行过程中，逐条读取微指令执行；
- 一般要顺序寻址，直接使用下址字段，寻址后续微指令
- 需要跳跃寻址的，经P2条件测试，修正微指令的下址
- 执行完对应于一条机器指令的微程序后，返回到取指（机器指令）微指令，不断重复，直到程序执行完毕。
微程序设计技术
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微指令编码：微指令中操作控制字段的编码表示方式，以及如何把编码翻译成相应的微指令。
微命令编码主要考虑的问题：
- 如何有效的缩短微指令字长；
- 如何有利于缩短微程序，减少所需的控存空间；
- 如何有利于提高微程序执行的速度
微命令编码表示方法：直接表示法、编码表示法、混合表示法
直接表示法：操作控制字段中，每一位代表一个微命令
优点：简单直观，其输出可直接用于控制，执行速度快
缺点：微指令字较长，因而控制存储器容量较大
编码表示法：将微指令操作控制字段划分为若干个子字段，每个子字段的所有微命令进行统一的编码，每个子字段的不同编码表示不同的微命令；
遵循原则：
- 把相斥微命令划分在同一个子字段中，相容微命令划分在不同的子字段中；
- 字段划分应与数据通路结构相适应
- 每个子字段留出一个空操作状态，即可以选择不发出该子字段对应的所有微命令
- 每个子字段所定义的微命令不宜太多
优点：可大大缩短微指令字长
缺点：需要微命令译码，故执行速度稍稍减慢。
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微地址的形成方法
微程序入口地址：微程序第一条微指令所在控存单元的地址
现行微指令：当前正在执行的微指令，现行微指令的地址叫做现行微地址
后继微指令：现行微指令执行完毕后，下一条要执行的微指令，同理存在后继微地址
微指令确定后继微地址的方法：计数器方式、多路转移方式
计数器方式：同CPU中程序计数器产生机器指令地址的方法类似
优点：微地址顺序控制字段简单，微地址产生机构简单
缺点：多路并行转移功能较弱，速度慢，灵活性差
多路转移方式：可根据“判别测试”标志和“状态条件”信息选定某一个候选微地址的方法
特点：
- 能以较短的顺序控制字段配合，实现多路并行转移，灵活性好，速度快
- 但转移地址逻辑需要用组合电路逻辑方法设计
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微指令格式
水平型微指令：一次能定义并执行多个并行微操作命令的微指令，有全水平型、字段译码法水平型、直接和译码相混合水平型
垂直型微指令：微指令中设置微操作码字段，并采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能；垂直型微指令的结构类似于机器指令结构
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动态微程序设计
硬连线控制器
了解，比微程序控制快
流水CPU
标准的冯·诺伊曼体系结构，采用的是串行处理，即一个时刻只能进行一个操作。
并行性的两种含义：
同时性：两个以上的事件在同一时刻发生；可以理解为多个CPU，一个CPU有一个进程
并发性：两个以上的事件在同一时间间隔内发生；可以理解为一个CPU，同时跑多个进程，但是某一时刻CPU只运行一个进程
并行性的三种形式：
时间并行：使用流水部件，时间重叠
空间并行：设置重复资源，同时工作
时间并行和空间并行：时间重叠，资源重复综合利用
流水CPU的结构
指令部件：指令部件本身构成一个流水线，由取指令、指令译码、计算操作数地址、取操作数等过程段组成。
指令队列：指令队列是一个先进先出的寄存器栈，用于存放经过译码的指令和取来的操作数。
执行部件：执行部件可以具有多个算术逻辑运算部件，这些部件本身又用流水线方式构成。
主要采用多体交叉存储器，以提高访问速度
流水CPU的加速比
若某CPU指令的执行，可划分为K个阶段，每个阶段1个周期
非流水线CPU处理 n 个任务时，所需时钟周期数：T1 = n × K
一个具有K级过程段的流水CPU处理这个n个任务时，需要的时钟周期数：Tk = K + (n - 1)
K：K个时钟周期用来处理第一个任务
n - 1：K个周期后，流水线被装满，剩余的n - 1个任务只需要 n - 1个周期即可完成
将T1 和 Tk的比率定义为k级线性流水CPU的加速比：Ck = T1/Tk
流水CPU的时空图
流水线的分类
- 指令流水线
指令执行的并行处理；
指令流划分为取指、译码、取操作数、执行、写回等过程； - 算术流水线
运算操作步骤的并行处理；
现代微机中大多采用流水的算术运算器； - 处理机流水线
程序步骤的并行处理；
将每一阶段的处理分散在不同的机器上，应用于多机系统中；
流水线中的主要问题
资源相关
- 多条指令进入流水线后，在同一机器周期内争夺同一个功能部件发生的冲突
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- 解决方案：指令推迟执行，设置重复资源
数据相关
- 在一个程序中，如果必须等待前一个指令执行完毕后，才能执行后一个指令，这两条指令就是数据相关
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- 解决方案：指令推迟执行，或定向传送技术
控制相关
- 当执行转移指令时，根据转移条件是否发生来控制指令执行顺序
- 解决方案：延迟转移法、转移预测法
