计算机组成原理基础知识-CPU的结构和功能

七.CPU的结构和功能

--CPU必须具备的功能：

　　指令控制：控制程序的顺序执行

　　操作控制：产生完成每条指令所需的控制命令

　　时间控制：对各种操作加以时间上的控制

　　数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算

　　处理中断：处理产生的中断

--CPU的寄存器

　　用户可见寄存器：通用寄存器、数据寄存器、地址寄存器、条件码寄存器

　　控制和状态寄存器：MAR（存储地址寄存器）、MDR（存储数据寄存器）、PC（程序计数器）、IR（指令寄存器）

--控制单元：提供完成计算机全部指令操作的微操作命令序列部件

　　现代计算机中微操作命令序列的形成方法：一种是组合逻辑设计方法，为硬连线逻辑，另一种是微程序设计方法，为存储逻辑

　中断系统：用于处理计算机的各种中断

--指令周期：CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间

　　取指周期：取指阶段完成取指令和分析指令的操作

　　执行周期：执行阶段完成执行指令的操作

--指令流水

　　影响流水线性能的因素：结构相关、数据相关、控制相关

　　　　结构相关：当多条指令进入流水线后，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求时产生的

　　　　数据相关：指令在流水线中重叠执行时，当后继指令需要用到前面指令的执行结果是发生的

　　　　控制相关：当流水线遇到分支指令和其他改变PC值的指令时引起的

　　流水线性能：吞吐率、加速比、效率

　　　　吞吐率：单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量

　　　　加速比：指m段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比

　　　　效率：流水线中各功能段的利用率

　　流水线的多发技术：超标量技术、超流水线技术、超长指令字技术

--中断系统

　　引起中断的因素：人为设置的中断、程序性事故、硬件故障、I/O设备、外部事件

　　中断判优：硬件排队、软件排队

　　中断服务程序入口地址的寻找：硬件向量法、软件查询法

　　中断响应

　　　　响应条件：当EINT（中断触发器）=1，且有中断请求（即中断请求标记触发器INTR=1）时，CPU可以响应中断

　　　　中断隐指令：保护程序断点、寻找中断服务程序的入口地址、关中断

　　保护现场：保护程序断点和保护CPU内部各寄存器内容的现场两个方面

　　恢复现场：在中断返回前，必须将寄存器的内容恢复到中断处理前的状态

　　中断屏蔽技术：主要用于多重中断。

　　　　屏蔽技术：

　　　　　　屏蔽触发器：对应每个中断请求触发器就有一个屏蔽触发器，将所有的屏蔽触发器组合在一起，便构成一个屏蔽寄存器

　　　　　　屏蔽字：屏蔽寄存器的内容称为屏蔽字，屏蔽字与中断源的优先级别是一一对应的

　　　　采用了屏蔽技术后，在中断服务程序中需设置新的屏蔽字，如图