文章目录

  • 1 CPU功能和基本结构
    • 1.1 CPU的功能
    • 1.2 运算器的基本结构
    • 1.3 控制器的基本结构
    • 1.4 CPU基本结构
    • 1.5 CPU的功能和基本结构小结
  • 2 指令周期和数据流
    • 2.1 指令执行过程
    • 2.2 指令周期流程
    • 2.3 指令周期的数据流-取指周期
    • 2.4 指令周期的数据流-间址周期
    • 2.5 指令周期的数据流-执行周期
    • 2.6 指令周期的数据流-中断周期
    • 2.7 指令执行方案
    • 2.8 指令执行过程小结

章节内容总览：

1 CPU功能和基本结构

1.1 CPU的功能
  1. 指令控制。完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制。
  2. 操作控制。一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
  3. 时间控制。对各种操作加以时间上的控制。时间控制要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。
  4. 数据加工。对数据进行算术和逻辑运算。
  5. 中断处理。对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理。

1.2 运算器的基本结构
  1. 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。
  1. 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。

专用数据通路方式：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。


如果直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据，这显然是不科学的

解决方法：

  1. 使用多路选择器
    根据控制信号选择一路输出
  1. 使用三态门
    可以控制每一路是否输出
    如：ROout为1时Ro中的数据输出到A端，ROout为0时Ro中的数据无法输出到B端


结构简单，容易实现，但数据传输存在较多冲突的现象，性能较低。

  1. 暂存寄存器：可以用于暂存从主存读的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。
    如：两个操作数分别来自主存和Ro，最后结果存回Ro那么从主存中取来的操作数直接放入暂存器，就不会破坏运算前Ro的内容。
  1. 累加寄存器：它是一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果信息，用于实现加法运算。
  1. 程序状态字寄存器：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，如溢出标志（OP）、符号标志（SF）、零标志（ZF）、进位标志（CF）等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成。
  1. 移位器：对运算结果进行移位运算。
  1. 计数器：控制乘除运算的操作步数。
1.3 控制器的基本结构

1.4 CPU基本结构


1.5 CPU的功能和基本结构小结

2 指令周期和数据流

2.1 指令执行过程
  • 指令周期：CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间。
  • 指令周期常常用若干机器周期来表示，机器周期又叫CPU周期。
  • 一个机器周期又包含若干时钟周期（也称为节拍、T周期或CPU时钟周期，它是CPU操作的最基本单位）。


    每个指令周期内机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。

每个指令周期内机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。

2.2 指令周期流程


CPU如何判断指令执行的阶段？

通过一个硬件结构：触发器

四个不同的指令周期对应四个触发器

四个工作周期都有CPU访存操作，只是访存的目的不同。
取指周期是为了取指令，间址周期是为了取有效地址，
执行周期是为了取操作数，中断周期是为了保存程序断点。

2.3 指令周期的数据流-取指周期

  1. 当前指令地址送至存储器地址寄存器，记做：（PC）→MAR
  2. CU发出控制信号，经控制总线传到主存，这里是读信号，记做：1→R
  3. 将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记做：M（MAR）→MDR
  4. 将MDR中的内容（此时是指令）送入IR，记做：（MDR）→IR
  5. CU发出控制信号，形成下一条指令地址，记做：（PC）+1→PC
2.4 指令周期的数据流-间址周期

  1. 将指令的地址码送入MAR，记做：Ad（IR）→MAR或Ad（MDR）→MAR
  2. CU发出控制信号，启动主存做读操作，记做：1→R
  3. 将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记做：M（MAR）→MDR
  4. 将有效地址送至指令的地址码字段，记做：MDR→Ad（IR）
2.5 指令周期的数据流-执行周期
  • 执行周期的任务是根据lR中的指令字的操作码和操作数通过ALU操作产生执行结果。
  • 不同指令的执行周期操作不同，因此没有统一的数据流向。
2.6 指令周期的数据流-中断周期

中断：暂停当前任务去完成其他任务。为了能够恢复当前任务，需要保存断点。一般使用堆栈来保存断点，这里用SP表示栈顶地址，假设SP指向栈顶元素，进栈操作是先修改指针，后存入数据。

  1. CU控制将SP减1，修改后的地址送入MAR，记做：（SP）-1→SP，（SP）→MAR
    本质上是将断点存入某个存储单元，假设其地址为a，故可记做：a→MAR
  2. CU发出控制信号，启动主存做写操作，记做：1→W
  3. 将断点（PC内容）送入MDR，记做：（PC）→MDR
  4. CU控制将中断服务程序的入口地址（由向量地址形成部件产生）送入PC，记做：向量地址→PC
2.7 指令执行方案

一个指令周期通常要包括几个时间段（执行步骤），每个步骤完成指令的一部分功能，几个依次执行的步骤完成这条指令的全部功能。

方案1.单指令周期

  • 对所有指令都选用相同的执行时间来完成。
  • 指令之间串行执行；指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间。
  • 对于那些本来可以在更短时间内完成的指令，要使用这个较长的周期来完成，会降低整个系统的运行速度。

方案2.多指令周期

  • 对不同类型的指令选用不同的执行步骤来完成。
  • 指令之间串行执行；
  • 可选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行过程。
  • 需要更复杂的硬件设计。

方案3.流水线方案

  • 在每一个时钟周期启动一条指令，尽量让多条指令同时运行，但各自处在不同的执行步骤中。
  • 指令之间并行执行。
2.8 指令执行过程小结

6 计算机组成原理第五章 中央处理器 CPU功能和结构 指令执行过程相关推荐

  1. (计算机组成原理)第五章中央处理器-第四节4：微程序控制单元设计

    文章目录 一:微程序控制单元设计步骤 第一步:分析每个阶段的微操作序列 第二步:写出对应机器指令的微操作命令及节拍安排 第三步:确定微指令格式 第四步:编写微指令码点 二:微程序设计分类 (1)静态微 ...

  2. (计算机组成原理)第五章中央处理器-第五节2：指令流水线影响因素和分类及多发技术

    文章目录 一:影响指令流水线的因素 (1)结构相关(资源冲突) (2)数据相关(数据冲突) (3)控制相关(控制冲突) 二:流水线的分类 (1)根据流水线使用的级别不同分类 (2)根据流水线可以完成的 ...

  3. 计算机组成原理 第五章 中央处理器

    5.1 CPU的功能和基本结构 中央处理器由控制器和运算器两部分组成,其中,控制器负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列(取指令.分析指令和执行指令),而运算器的功能是对数据进行加工. CPU的 ...

  4. 【连载】计算机组成原理 --- 第五章 中央处理器

    本章主要内容: (一)CPU的功能和基本结构 (二)指令执行过程 (三)数据通路的功能和基本结构 (四)控制器的功能和工作原理 1. 硬布线控制器 2. 微程序控制器 微程序,微指令和微命令,微指令格 ...

  5. 8 计算机组成原理第五章 中央处理器 控制器 硬布线控制器 微程序控制器

    文章目录 1 控制器的功能和工作原理 1.1 控制器的结构和功能 1.2 控制单元的输入和输出 1.2.1 控制单元输入 1.2.2 控制单元输出 2 硬布线控制器 2.1 CPU的控制方式 2.2 ...

  6. 9 计算机组成原理第五章 中央处理器 指令流水线

    文章目录 1 指令流水线基本概念性能指标 1.1 指令流水的定义 1.1.1 指令分法 1.1.2 指令执行时间 1.2 流水线的表示方法 1.3 流水线的性能指标 2 指令流水线影响因素分类 2.1 ...

  7. (计算机组成原理)第五章中央处理器-第五节1：指令流水线(定义和表示方法及性能指标)

    文章目录 一:指令流水的定义 (1)顺序执行方式 (2)一次重叠方式 (3)二次重叠执行方式 二:流水线的表示方法 (1)指令执行过程图 (2)时空图 三:流水线性能指标 (1)吞吐率 (2)加速比 ...

  8. (王道计算机组成原理)第五章中央处理器-第三节1：CPU内部单总线数据通路中数据的流动

    王道考研复习指导获取:密码7281 专栏目录首页:[专栏必读]王道考研408计算机组成原理万字笔记.题目题型总结.注意事项.目录导航和思维导图 文章目录 本节思维导图 一:有关概念 (1)CPU中数据 ...

  9. 7 计算机组成原理第五章 中央处理器 数据通路

    文章目录 1 数据通路的功能和基本结构单总线 1.1 数据通路的功能 1.2 数据通路-基本结构单总线 2 数据通路-CPU内部单总线方式 2.1 三种结构之间数据传送方式 2.2 CPU内部单总线方 ...

最新文章

  1. CodeForces - 867E Buy Low Sell High （贪心 +小顶堆）
  2. （*长期更新）软考网络工程师学习笔记——Section 15 无线网络技术
  3. 再谈Docker，微服务的场景化应用
  4. 利用colab保存模型_在Google Colab上训练您的机器学习模型中的“后门”
  5. JavaSE之Java基础（1）
  6. Java Servlet教程– ULTIMATE指南（PDF下载）
  7. 广数系统u盘支持什么格式_u盘装系统，u盘要格式化成什么格式
  8. Luogu 4491 [HAOI2018]染色
  9. CodeFirst Update-Database 出现对象'DF__**__**__**' 依赖于 列'**'。
  10. hibernate缓存问题
  11. day023 常用模块02
  12. 博文视点大讲堂第6、7期开课
  13. 如何减小Exe, DLL 的大小
  14. 计算机网络调试套什么定额,第一章计算机网络系统设备安装工程定额.docx
  15. 跑路潮来临：解散社群，深夜遁逃，卷走百亿资金
  16. 特殊字符大全-希腊字母俄文注音拼音日文序集心型方形点数绘表(转载)
  17. ESP32用Arduino编程实现CAN总线通讯
  18. 【问题记录】04 MyBatis报错：Parameter ‘XXX‘ not found. Available parameters are [page, hashMap, param1, param
  19. 概率论与数理统计Chapter1——先导知识1
  20. 简易Java web在线聊天-websocket

热门文章

  1. 为什么读书了，还不如那些初中毕业的同学
  2. create_proc_read_entry中函数的说名
  3. 汇编比较两个数大小_计算机是怎样跑起来的 -- 体验一次汇编过程
  4. 数组的合并和升序排列_leetcode 33 搜索旋转排序数组
  5. 智慧交通day02-车流量检测实现05：卡尔曼滤波器实践(小车模型)
  6. CSS——设置第一个以外的元素样式:not(:first-child),设置最后一个除外的元素样式:not(:last-child)
  7. 十一、MySQL视图学习笔记（详解）
  8. LeetCode 1785. 构成特定和需要添加的最少元素（贪心）
  9. LeetCode 834. 树中距离之和（树上DP）*
  10. LeetCode 760. 找出变位映射（哈希）