“中央处理器（CPU）”学习提纲
文章目录
- 前言
- 中央处理器（CPU）的组成
- 控制器的组成
- 运算器的组成
- 中央处理器（CPU）的功能
- 指令周期的组成
- 指令周期的数据流
- 取指周期：获取指令
- 间址周期：获取操作数有效地址
- 执行周期：获取操作数
- 中断周期：处理中断请求，保存程序断点
- 指令的执行方案
- 数据通路的基本结构
- 控制器的功能
- 控制器的分类（根据产生微操作控制信号的方式）
- 控制单元（CU）的输入来源
- 中央处理器（CPU）的控制方式
- 硬布线控制器设计步骤
- 微程序设计的机器指令组成
- 微程序控制器的组成
- 微程序控制器的工作过程
- 微指令的编码/控制方式
- 微指令的地址形成方式
- 微指令的格式
- 微程序控制器的设计步骤
- 微程序设计的分类
- 中断（广义中断）的分类
- 外中断事件
- 内中断事件
- 中断（广义中断）的响应过程
- 提高中央处理器（CPU）效率的方式
- 指令的执行过程（另一种角度：指令流水线）
- 流水寄存器存储的信息
- 流水线冒险的分类和处理方式
- 流水线冒险的处理方式
- 流水线的性能指标
- 流水线的分类
- 高级流水线技术
- 计算机体系结构的分类（从指令、数据流数量的角度）
- 硬件多线程的实现方式
- 总结
- 参考资料
- 作者的话
前言
计算机组成原理的知识抽象、晦涩、不易理解并记忆，在此对“中央处理器（CPU）”一章中重点知识总结成提纲。
中央处理器（CPU）的组成
- 中央处理器（CPU）=控制单元（CU）+算术逻辑单元（ALU）+寄存器+中断系统
- 中央处理器（CPU）=控制器+运算器
控制器的组成
- 程序计数器（PC）
- 指令寄存器（IR）
- 指令译码器
- 时序系统
- 微操作信号发生器
- 存储器地址寄存器（MAR）
- 存储器数据寄存器（MDR）
- …
运算器的组成
- 算术逻辑单元（ALU）
- 通用寄存器组
- 暂存寄存器
- 程序状态字寄存器（PSW）
- 移位器
- 计数器（CT）
- …
其中，通用寄存器组包括：
- 累加寄存器（ACC；16位：AX；32位：EAX）
- 基地址寄存器（BR；16位：BX；32位：EBX）
- 计数寄存器/程序计数器（PC；16位：CX；32位：ECX）
- 数据寄存器（（M）DR；16位：DX；32位：EDX）
- 变址寄存器（IX，区别于指令寄存器（IR）；ESI，EDI共两个）
- 堆栈基指针（寄存器）（BP；32位：EBP）
- 堆栈顶指针（寄存器）（SP；32位：ESP）
中央处理器（CPU）的功能
- 指令控制（控制器功能）
- 操作控制
- 时间控制
- 中断处理
- 数据加工（运算器功能）
指令周期的组成
- 指令周期=若干机器周期（CPU周期）
- 机器周期=若干时钟周期（τ周期/节拍）
或（按时间顺序）：
- 取指周期（获取指令+分析指令）
- 间址周期（获取操作数的有效地址；可无）
执行周期（执行指令；可无） - 中断周期（处理中断；可无）
指令周期的数据流
取指周期：获取指令
- 程序计数器（PC）的指令地址->存储器地址寄存器（MAR）->地址总线->主存储器（MM）
- 控制单元（CU）的读控制信号->控制总线->主存储器（MM）
- 主存储器（MM）的指令->数据总线->存储器数据寄存器（MDR）->指令寄存器（IR）
指令寄存器（IR）的指令操作码->控制单元（CU）
- 控制单元（CU）的控制信号->程序计数器（PC）+1
间址周期：获取操作数有效地址
以一次间址为示例：
- 指令寄存器（IR）或存储器数据寄存器（MDR）的指令地址码->存储器地址寄存器（MAR）->地址总线->主存储器（MM）
- 控制单元（CU）的读控制信号->控制总线->主存储器（MM）
- 主存储器（MM）的指令地址->数据总线->存储器数据寄存器（MDR）
执行周期：获取操作数
不同指令类型，获取操作数的操作不同，无统一数据流向。
中断周期：处理中断请求，保存程序断点
以在堆栈保存程序断点；先修改栈顶指针，后保存数据的进栈操作为示例：
- 控制单元（CU）的控制信号->堆栈顶指针（寄存器）（SP；32位：ESP）-1
- 堆栈顶指针（寄存器）（SP；32位：ESP）的指令地址->存储器地址寄存器（MAR）->地址总线->主存储器（MM）
- 控制单元（CU）的写命令->控制总线->主存储器（MM）
- 程序计数器（PC）的指令地址->存储器数据寄存器（MDR）->数据总线->主存储器（MM）
- 控制单元（CU）的中断服务程序入口地址->程序计数器（PC）
指令的执行方案
- 单指令周期方案
- 多指令周期方案
- 流水线方案
数据通路的基本结构
在中央处理器（CPU）内部：
- 总线结构（单总线、多总线）
- 专用数据通路结构
控制器的功能
- 从主存储器（MM）中获取一条指令，并指出下一条指令在主存储器（MM）中的地址
- 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以启动规定的动作
- 指挥并控制中央处理器（CPU）、主存储器（MM）、输入和输出设备之间的数据流动方向
控制器的分类（根据产生微操作控制信号的方式）
- 硬布线控制器（组合逻辑控制器）
- 微程序控制器
相同点：程序计数器（PC），指令寄存器（IR）。
不同点：确定和表示指令执行步骤的方法，产生控制各部件运行所需控制信号的方案。
控制单元（CU）的输入来源
- 指令译码器根据指令操作码译码产生的指令信息
- 节拍发生器根据机器周期产生的时钟周期信号
- 程序状态字寄存器根据执行单元反馈信息存储的状态标志
- 控制总线的控制信号。如中断请求、直接存储器访问（DMA）请求
中央处理器（CPU）的控制方式
- 同步控制方式
- 异步控制方式
- 联合控制方式（大部分同步，小部分异步）
硬布线控制器设计步骤
- 分析指令周期中取值、间址、执行和中断周期的微操作序列
- 选择中央处理器（CPU）的控制方式
- 安排微操作序列执行时序
- 设计电路
其中设计电路包括：
（1）列微操作序列的操作时间表
（2）写微操作序列的最简表达式
（3）画微操作序列的电路逻辑图
微程序设计的机器指令组成
- 一条机器指令编写成一个微程序
- 微程序=若干微指令
- 微指令=若干微命令/微操作
- 微命令时微操作的控制信号，微操作是微命令的执行过程
将微指令类比指令，存在微地址、微操作码、微地址码、微周期等概念。
微程序控制器的组成
- 微地址形成部件
- 顺序逻辑单元
- 控制/微存储器地址寄存器（CMAR）
- 地址译码器
- 控制存储器（CM）
- 控制/微存储器数据寄存器（CMDR/μIR）
微程序控制器的工作过程
- 获取机器指令
- 获取机器指令对应微程序的入口地址
- 获取微指令
- 执行微指令
- 获取下一条微指令或下一条机器指令
微指令的编码/控制方式
- 直接编方式
- 字段直接编码方式
- 字段间接编码方式/隐式编码方式
- 混合编码
微指令的地址形成方式
- 机器指令的操作码产生
- 微指令的微地址码/下地址产生（断定方式）
- 增量计数器法产生（自增1）
- 分支转移产生
- 测试网络产生
- 硬件产生
- 外部输入产生
微指令的格式
- 水平型微指令
- 垂直型微指令
- 混合型微指令
微程序控制器的设计步骤
核心：编写微程序
- 分析指令周期中取值、间址、执行和中断周期的微命令/操作序列
- 根据微命令/操作和时钟周期设计微指令
- 确定微指令格式
- 编码微指令
微程序设计的分类
- 静态微程序设计
- 动态微程序设计
- 毫微微程序设计
中断（广义中断）的分类
- 中断（广义中断）=中断（狭义中断；外中断）+异常/例外/陷入（内中断）
- 外中断（硬件中断）=可屏蔽中断+不可屏蔽中断
- 内中断（不可屏蔽中断）=故障+自陷/陷阱/陷入（软件中断/程序性异常）+终止（硬件中断）
或：
- 外中断=外设请求（如I/O操作完成）+人工干预（如用户强行终止进程）
- 内中断=自愿中断+强迫中断
- 自愿中断，指令中断（如系统调用时使用陷入/访管/Trap指令）
- 强迫中断=硬件故障（如缺页）+软件中断（如整数除以0）
外中断事件
- 输入/输出（I/O）设备处理。如键盘输入，打印机缺纸
- 特殊事件。如用户按退出Esc键，定时器计数时间到
- 紧急硬件故障。如电源掉电
缓存（Cache）缺失
直接存储器访问（DMA）传送结束
内中断事件
故障：
- 地址越界
- 非法操作码
- 缺段或缺页
- 溢出。如运算溢出，栈溢出
- 整数除以0
自陷：
- 系统调用
- 条件自陷指令
- 断点设置（x86机器中）
- 单步跟踪（x86机器中）
终止：
- 控制器错误
- 存储器校验错误
- 总线错误
存储保护错误
中断（广义中断）的响应过程
- 关中断
- 保存断点和程序状态
- 识别中断（广义中断）并转到相应的处理程序
提高中央处理器（CPU）效率的方式
- 时间上并行：流水线技术
- 空间上并行：超标量处理机
指令的执行过程（另一种角度：指令流水线）
- 取指（IF）
- 译码/读寄存器（ID）
- 执行/计算地址（EX）
- 访存（MEM）
- 写回（WB）
流水寄存器存储的信息
- 数据通路的数据
- 控制部件的控制信号
流水线冒险的分类和处理方式
- 结构冒险（资源冲突）
- 数据冒险（数据冲突）：读后写相关，写后读相关，写后写相关
- 控制冒险（控制冲突）
流水线冒险的处理方式
结构冒险（资源冲突）：
- 暂停相关指令
- 资源重复配置
数据冒险（数据冲突）：读后写相关，写后读相关，写后写相关：
- 暂停相关指令
- 数据旁路技术
- 编译优化（调整指令顺序）
控制冒险（控制冲突）：
- 分支预测
- 预取多方向的指令
- 加快和提前形成条件码
- 提高转移方向的猜准率
流水线的性能指标
- 吞吐率
- 加速比
- 效率
流水线的分类
根据使用的硬件级别：
- 部件功能级流水线
- 处理器级流水线
- 处理器间流水线
根据实现功能的个数：
- 单功能流水线
- 多功能流水线
根据同一时间内各流水段/功能段实现功能的连接方式：
- 静态流水线（相同功能）
- 动态流水线（不同功能）
根据各流水段/功能段间有无反馈信号：
- 线性流水线（无）
- 非线性流水线（有）
高级流水线技术
- 超长指令字技术/静态多发射技术
- 超标量流水线技术/动态多发射技术
- 超流水线技术
计算机体系结构的分类（从指令、数据流数量的角度）
- 单指令流单数据流（SISD）结构
- 单指令流多数据流（SIMD）结构
- 多指令流单数据流（MISD）结构
- 多指令流多数据流（MIMD）结构
硬件多线程的实现方式
- 粗粒度多线程
- 细粒度多线程
- 同时多线程（SMT）
总结
计算机组成原理的知识抽象、晦涩、不易理解并记忆，在此对“中央处理器（CPU）”一章中重点知识总结成提纲。
参考资料
- 《2023年计算机组成原理考研复习指导》组编：王道论坛
- 哔哩哔哩平台《王道计算机考研 计算机组成原理》视频课
作者的话
- 感谢参考资料的作者/博主
- 作者：夜悊
- 版权所有，转载请注明出处，谢谢~
- 如果文章对你有帮助，请点个赞或加个粉丝吧，你的支持就是作者的动力~
- 文章在描述时有疑惑的地方，请留言，定会一一耐心讨论、解答
- 文章在认识上有错误的地方, 敬请批评指正
- 望读者们都能有所收获
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