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
- 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。
- 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。
- 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。
- 数据加工。对数据进行算术和逻辑运算。
- 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
- 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。
- 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：
- 使用多路选择器
根据控制信号选择一路输出
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 移位器：对运算结果进行移位运算。
- 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
- 当前指令地址送至存储器地址寄存器，记做：（PC）→MAR
- 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
- 将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记做：M（MAR）→MDR
- 将MDR中的内容（此时是指令）送入IR，记做：（MDR）→IR
- 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
- 将指令的地址码送入MAR，记做：Ad（IR）→MAR或Ad（MDR）→MAR
- CU发出控制信号，启动主存做读操作，记做：1→R
- 将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记做：M（MAR）→MDR
- 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。
- 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- CU发出控制信号，启动主存做写操作，记做：1→W
- 将断点（PC内容）送入MDR，记做：（PC）→MDR
- 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
