中央处理器

中央处理器

CPU的功能

中央处理器(CPU)由运算器和控制器组成。

• 控制器的功能：负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，包括取值令、分析指令和执行指令。
• 运算器的功能：对数据进行加工处理。

具体功能：

1. 指令控制：控制程序的顺序执行(完成取指、分析、执行操作)
2. 操作控制：产生完成每条指令所需的控制命令
3. 时间控制：对各种操作加以时间上的控制
4. 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算
5. 中断处理：处理计算机在运行过程中出现的异常情况和特殊请求

CPU的基本结构

1. 运算器
   组成部分：
   • 算术逻辑单元(ALU)：进行算术和逻辑运算
   • 暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据
   • 累加寄存器(ACC)：暂时存放ALU运算的结果信息
   • 通用寄存器组：存放操作数和各种地址信息
   • 程序状态字寄存器(PSW)：保留状态信息，如溢出标志，符号标志
   • 移位器：对操作数或运算结果进行移位
   • 计数器(CT)：控制乘除运算的操作步数
2. 控制器
   组成部分：
   • 程序计数器(PC)：用于指出欲执行指令在主存中的存放地址，CPU根据PC的内容去主存中取指令
   • 指令寄存器(IR)：用于保存当前正在执行的那条指令
   • 指令译码器：仅对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号
   • 存储器地址寄存器(MAR)：用于存放要访问的主存单元的地址
   • 存储器数据寄存器(MDR)：用于存放向主存写入的信息或从主存读出的信息
   • 时序系统：用于产生各种时序信号
   • 微操作信号发生器：产生控制整个计算机系统所需的控制信号

程序计数器的位数取决于存储器的容量
指令寄存器的位数取决于指令字长
通用寄存器的位数取决于机器字长

CPU中的专用寄存器

• 程序计数器(PC)
• 指令寄存器(IR)
• 存储器数据寄存器(MDR)
• 存储器数据寄存器(MAR)
• 程序状态字寄存器(PSW)

指令周期

CPU从主存中取出并执行一条指令的时间被称为指令周期

CPU的工作周期：CPU访问一次存储器的时间

1. 取指周期(根据PC的内容从主存中取出指令代码并放在IR中)
2. 间址周期(取操作数有效地址)
3. 执行周期(取操作数)
4. 中断周期(处理中断请求)

指令流水
将指令分解成若干子过程，通过将每个子过程与其他子过程并行执行，来提高计算机吞吐率的技术。

流水线的性能指标

1. 吞吐率
   在单位时间内流水线所完成的指令或输出结果的数量
   对于 \(m\) 段的流水线而言，若各段的时间均为 \(\Delta t\) ，连续取 \(n\) 条指令，除了第一条指令需要 \(m\Delta t\) 外，其余 \(n-1\) 条指令，每隔 \(\Delta t\) 就有一个结果输出。
   实际吞吐率为 \(T_P=\frac{n}{m\Delta t +(n-1)\Delta t}\)

2. 加速比
   \(m\) 段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比。设流水线各段时间均为 \(\Delta t\) ，则完成 n 条指令在 m 段流水线上所需时间为 \(T'=nm \Delta t\) 。
   加速比为 \(S_P=\frac{n m\Delta t}{m\Delta t +(n-1)\Delta t}=\frac{nm}{m+n-1}\)

3. 流水线中的多发技术

   • 超标量流水技术
   • 超流水线技术
   • 超长指令字技术

指令和数据都放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？
从时间上，取指令发生在取指周期，取数据发生在执行周期；
从空间上，从内存读出的指令流向控制器(指令寄存器)，从内存读出的数据流向运算器(通用寄存器)