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中央处理器总结——基本知识要点汇总

- - - 【更新日志】
    - - 计算机统考408考纲要求
CPU的功能和基本结构
数据通路的功能和组成
指令周期及指令执行过程
控制器的功能和工作原理
- 硬布线控制器
- 微程序控制器
指令流水线

【更新日志】

计算机统考408考纲要求

2021计算机统考408考纲计算机组成原理学科考察目标

理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结果以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念
理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法
能够综合运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，对一些基本部件进行简单设计，并能对高级程序设计语言（如C语言）中的相关问题进行分析

2021计算机统考408计算机组成原理考纲变动情况
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2021计算机统考408考纲对中央处理器部分考察要求

CPU的功能和基本结构

功能： 指令控制（包括取指令、分析指令、执行指令等操作，即程序的顺序控制）、操作控制、时间控制、数据加工、中断处理

基本结构：

从整体功能划分：运算器、控制器（现代CPU中往往还附有Cache）

从部件划分：主要包含若干寄存器、算术逻辑单元ALU、控制单元CU、中断系统
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不同CPU中寄存器的数量和名词通常也均不同，大体上可以分为通用寄存器、专用寄存器

通用寄存器可以存放初始数据、中间结果、最终结果，用途广泛，对用户可见

专用寄存器有专门用途，主要包含：

程序计数器PC/指令指针寄存器IP：存放下一条要读取的指令的地址，对用户可见
指令寄存器IR：存放刚读取的一条指令
存储单元地址寄存器MAR：存放一个内存地址
存储单元数据寄存器MDR：存放要写入内存的数据或存放从内存读取的数据
标志寄存器FR/程序状态字PSW：寄存器的不同位代表CPU的某些不同状态，由CPU每执行1条指令后自动设置，这些状态作为条件供后面的转移指令做判断用

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简单来说，CPU整体上可分为运算器、控制器（现代CPU中往往还附有Cache）

运算器主要完成对数据的加工，详细内容可见本栏文章《数据的表示和运算器总结——基本知识要点汇总》

控制器主要完成对指令控制（包括取指令、分析指令、执行指令等操作，即程序的顺序控制）、操作控制、时间控制、中断处理等信号的控制，详细内容见下文指令周期、控制器功能和工作原理等部分

从部件上主要包含若干寄存器、算术逻辑单元ALU、控制单元CU、中断系统，各器件之间主要通过内部总线进行联系，详细见下文数据通路的功能和组成部分

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数据通路的功能和组成

数据通路：在CPU内部实现各个期间之间数据信息交换，可分为共享通路（总线型）和专用通路两大类

共享通路（总线型）：

主要部件都连接在公共总线上，各部件间通过总线进行数据传输
结构简单，实现容易，但并发性较差，需分时使用总线，效率低

专用通路：

并发度高，性能佳，设计复杂，成本高，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
可以看做多总线结构

CPU内部的若干器件通过内部总线实现信息流动，内部总线结构可以有单总线方式、双总线方式、三总线方式、专用数据通路方式

指令周期及指令执行过程

时钟周期： CPU的基本时间计量单位，是CPU一切操作的计时标准和基本控制信号，由计算机的主频决定

机器周期（CPU周期）： CPU通过总线从内存读取一个机器字的时间称为一个CPU周期，一般需要4个时钟周期，分别称为T1、T2、T3、T4状态
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指令周期： 执行一条指令需要经过读取指令、指令译码、指令执行的过程，把执行一条指令所需要的时间称为指令周期。不同指令的指令周期是不等长的，最短时间为两个机器周期，一个机器周期取指令，一个机器周期执行指令；有的复杂的指令需要更多机器周期
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取值周期： 取指令操作

间址周期： 取得有效地址
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执行周期： 取得操作数完成具体操作

中断周期： 保存程序断点
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控制器的功能和工作原理

控制器部件从数据总线接收指令信息，从运算器部件接收指令转移地址，送出指令地址到地址总线，还要向系统中的部件提供它们运行所需要的控制信号
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即完成以下功能：

从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置
对指令进行移码或测试，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向

控制器的设计方法主要有两种：

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

硬布线控制器

由上述提到的指令周期的概念可知，CPU将一个机器周期分为分为若干个更小的时间段（1 个机器周期一般等于4 个时钟周期），同时规定在1个时间段内CPU的动作。这种时间的约束对CPU来说是必要的而且非常严格，这种时间约束就是时序控制，是由时序产生器的时序信号来控制的

硬布线控制器是早期设计控制器的一种方法。这种方法是把控制部件看作为产生时序控制信号的逻辑电路，这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形逻辑网络，故称之为硬布线控制器

由于硬布线控制器采用完全的逻辑电路来实现，一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上对它重新布线，否则要想增加新的控制功能是不可能的

基本原理：
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基本架构：

微程序控制器

由上述提到的指令执行过程可知，1条指令的处理执行过程可分为读取指令、指令译码、指令执行几个步骤

微程序设计需明确以下几个概念：

微程序： 每条机器指令对应一段微程序, 这段微程序执行完毕, 该指令规定的功能也就完成了

微指令： 微指令是指在微程序控制的计算机中，同时发出的控制信号所执行的一组微操作

微命令： 构成控制信号序列的最小单位（即一条微指令中的每一位对应就是一种微命令）

【简单说即，程序由一组指令组成；指令由一个微程序实现；微程序由一组微指令实现；微指令由一组微操作（即微命令）实现】

微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术。即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 ” ，存放到一个只读存储器里。当机器运行时一条又一条地读出这些 “ 微指令 ” ，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作

以TEC-8微程序控制器为例：

指令：LD R0,[R3]；对应十六进制为53H

功能：将R3寄存器中的内容作为内存地址，将相应内存地址的内容送至R0寄存器

如下图TEC-8微程序控制器控制信号序列每一位即为一个微命令，一组微命令组成一条微指令，一组微指令形成一个微程序，微程序实现的功能即为指令的功能

指令LD R0,[R3]；对应十六进制为53H，对应微程序由如下的微指令组成
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指令流水线

基本概念

核心：并行处理技术

并行和并发的含义：

并行性：两个以上事件在同一时刻发生。例如在多 CPU 系统中，同一时刻多个进程在运行
并发行：两个以上事件在同一间隔内发生。如某一时刻 CPU 中只有一个进程运行，而一个时间段内多个进程同时运行

并行性的三种形式：

时间并行：让多个处理过程在时间上相互错开，轮流地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。时间并行性概念的实现方式就是采用流水处理部件
空间并行：设置重复资源，同时工作。空间并行技术主要体现在多处理器系统和多计算机系统
时间并行＋空间并行：时间重叠和资源重复的综合应用

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影响流水线的因素

设一条指令流水线包含5个子过程：取指令（IF）、指令译码（ID）、计算有效地址（EX）、取操作数（MEM）、结果回写（WB）

结构相关（资源冲突）： 多条指令在同一时刻争用同一资源而形成的冲突
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解决方法：

前一指令访存时，使后一条相关指令（及其后续指令）暂停一个时钟周期
单独设置数据存储器和指令存储器，使两项操作各自在不同的存储器中进行（属于资源重复配置）

数据相关（数据冲突）： 指在一个程序中，存在必须等前一条指令执行完才能执行后一条指令的情况，则这两条指令为是数据相关，当多条指令重叠处理时就会发生冲突
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解决方法：

数据旁路技术：设置相关专用通路，即不等前一条指令把计算结果写回寄存器组，下一条指令也不再读寄存器组，而是直接把前一条指令的ALU的计算结果作为自己的输入数据开始计算过程，使本来需要暂停的操作变得可以继续执行
把遇到数据相关的指令及其后续指令都暂停1到n个时钟周期，直到数据相关问题消失后再继续执行。可分为硬件阻塞和软件插入“NOP”指令两种方法
通过编译器对数据相关的指令编译优化的方法，调整指令顺序来解决数据相关

控制相关： 当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果可能顺序取下条指令，也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流

解决方法：

延迟转移法：基本思想是“先执行再转移”，即发生转移取时并不排空指令流水线，而是让紧跟在转移指令之后已进入流水线的少数几条指令继续完成。如果这些指令是与结果有关的指令，那么延迟损失时间片正好得到了有效的利用，否则将结果丢弃
转移预测法：用硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来的行为。通过记录产生转移的指令和转移地址，将转移预测提前到取指阶段进行，使用转移取和顺序取两路指令预取队列器，以获得良好的效果