计算机组成原理考研复试复习-4
第五部分：中央处理器CPU
1，CPU的功能与结构？
（1）CPU的结构？
控制器，运算器，数据通路，一些寄存器
控制器：协调并控制计算机各个部件运行。具体包括：程序计数器PC，指令寄存器IR，地址寄存器MAR，数据寄存器MDR，时序系统，微程序控制器，控制器的核心是控制单元CU
运算器：执行各种运算，并将结果输出。具体包括：ACC累加寄存器，ALU算数逻辑单元，暂存寄存器，通用寄存器组，PWS程序状态字寄存器、移位寄存器、计数器
各种寄存器中对用户不可见的有：暂存寄存器、移位寄存器、MAR、MDR、IR
（2）CPU的功能：指令控制、时间控制、操作控制、中断处理、数据加工
2，指令执行的过程：
（1）各种不同的周期之间的关系（机器周期，时钟周期、指令周期）：
时钟周期是CPU完成一个动作（微操作）的最小时间单位，
机器周期（又称CPU周期）完成一个指令的子工作（子步骤）所需要的时间，
指令周期：CPU从主存中取出一条指令并执行完毕所需要的时间。
通常指令周期由多个机器周期组成，机器周期的时间通常由存取周期来确定（时间最长），且机器周期由多个时钟周期组成。
（2）指令周期的组成：
1⃣️取指周期：根据PC的内容传入MAR，根据MAR的内容从内存中取出指令存入MDR中，再将MDR的内容存入IR
2⃣️间址周期：【可能不存在】（去操作数的有效地址）根据指令的地址码部分，和寻值特征位取出操作数的有效地址
3⃣️执行周期【不同指令各不相同】
4⃣️中断周期：处理中断请求
保存断点、送中断向量、处理中断请求
为了区别不同的机器周期，用触发器FE（fetch），IND（ instruction decode），EX（execute），INT（interrupt）来进行标记。
（3）指令执行的时间安排：单指令周期（一个时钟周期执行一条指令）、多指令周期、流水线方案
3，数据通路
数据通路结构的分类
（1）CPU内部单总线=>运算器需要暂存器（因为如果没有暂存器的话，无法使ALU两个输入端同时有效）
（2）CPU内部三总线
（3）专用数据通路：每个需要传递数据的部件之间都有直接连线，需要多路选择器（MUX）与三态门
控制器的内部结构
4、硬布线控制器：
由组合逻辑技术实现，执行速度快，一般用于精简指令集计算机（RISC），扩充指令困难。
5、微程序控制器：
（1）思想？
计算机通过控制部件对外发出各种控制命令，这种命令叫做微命令，各个接收命令的部件之后执行的操作叫做微操作，微程序控制器的思想就是将微操作信号代码化，使用存储逻辑的思想，将实现微操作的程序存入控制存储器（CM）中。【控制存储器CM是由ROM实现的，只读不写】。存入CM的每条指令叫做微指令，微指令是对要完成的一条或多条微操作的内容的封装。这样在对指令的OP码进行译码之后，选择相对应的微指令发出微命令控制其他部件的执行。
我们使每一个机器周期对应一串微指令序列（也可以叫做微程序，这里有争议可以说一个机器周期对应一个微程序，也可以说一个指令对应一个微程序），因为每一个指令的取址、间址、中断周期执行的做的工作大致相同，所以可以使用同一个微程序，但执行周期完成的工作各不相同所以要设计不同的微指令。
（2）具体的执行过程？
1⃣️ 取到一条指令之后会放到IR中，将其中的OP码送入微地址形成部件
2⃣️ 微地址形成部件会根据OP码、寻址特征位决定微程序的入口地址
3⃣️ 送入CMAR，通过CMAR的地址从CM中取出微指令（分为控制信号和下地址字段），控制信号（经过译码）输出称为微命令
4⃣️ 下地址字段决定下一条执行的微指令的地址。
5⃣️ 当本段微程序执行完毕之后需要通过微地址形成部件（+OP）决定下一段的微程序的地址。
（3）与指令相同，微指令也需要设计编码方式（即OP码的设计）：
1⃣️ 直接编码：每一位直接代表一个微命令（不进行译码）
2⃣️ 字段直接编码：互斥同段，相容不同段需要进行译码
3⃣️ 字段间接编码：可以进一步缩短字长，一段依赖于另一段的解释，所以译码更慢
6，指令流水线
将一条指令分为多个子过程，如五段式指令流水：
IF（取值）、ID（译码）、EX（执行）、 M（访存）、WB（写回）。
影响流水线执行的因素：
（1）数据相关：属于同步问题，等待前一条指令执行完毕之后才能执行下一条
解决方法：
暂停延后（Stall，NOP指令）
数据旁路（上一条指令的结果从ALU出来之后直接作为本条指令的输入数据写入ALU的输入端）
编译优化：调整指令顺序
（2）结构相关：同一时刻争用同一资源
解决方法：添加资源或等待一个时钟周期
（3）控制相关：经过转移指令或者中断改变了PC的值，从而执行了不需要执行的指令
解决方法：
分支预测：预测将要转移的线路
预取：提前取出转移成功与不成果两条线路上的指令。
加快、提前形成条件码
提高猜准率
