计算机组成原理复习笔记5-中央处理器

5．中央处理器

（★★★）指令的执行过程

指令周期

• 一个指令周期包括四个部分，从前到后分别是
  • 取指周期：取指令
  • 间址周期（可无）：取操作数的有效地址
  • 执行周期：执行指令
  • 中断周期（可无）：处理中断请求

指令周期的数据流及对应微操作

取指周期

• 数据流

序号	数据流	解释说明
1	PC \(\rightarrow\) MAR \(\rightarrow\) 地址总线 \(\rightarrow\) 主存	PC 中的地址送入主存
2	CU发出控制信号 \(\rightarrow\) 控制总线 \(\rightarrow\) 主存	CU 向主存发出控制信号
3	主存 \(\rightarrow\) 数据总线 \(\rightarrow\) MDR \(\rightarrow\) IR	主存将指定地址的指令送入 IR 寄存器
4	CU发出读命令 \(\rightarrow\) PC 内容加 1	PC 自增

• 微操作

序号	微操作	说明
1	PC \(\rightarrow\) MAR	将现行指令地址送入 MAR
2	1 \(\rightarrow\) R	命令存储器读
3	M( MAR ) \(\rightarrow\) MDR	现行指令从存储器中读至 MDR
4	MDR \(\rightarrow\) IR	现行指令送入 IR
5	OP( IR ) \(\rightarrow\) CU	指令操作码送入 CU 译码
6	( PC ) + 1 \(\rightarrow\) PC	形成下一条指令的地址

（★）小总结：主存 和 CPU 的数据交互总是经过总线和相应的寄存器

间址周期

• 数据流

序号	数据流	解释说明
1	Ad( IR ) \(\rightarrow\) MAR \(\rightarrow​\) 地址总线 \(\rightarrow​\) 主存	IR 中指令的地址码部分送入主存
2	CU发出读命令 \(\rightarrow\) 控制总线 \(\rightarrow\) 主存	CU 向主存发出控制信号
3	主存 \(\rightarrow\) 数据总线 \(\rightarrow\) MDR	主存将指定地址的有效地址送入 MDR 寄存器

• 微操作

序号	微操作	说明
1	Ad( IR ) \(\rightarrow\) MAR	将指令字的地址码（形式地址）部分送入 MAR
2	1 \(\rightarrow\) R	命令存储器读
3	M( MAR ) \(\rightarrow\) MDR	将有效地址从存储器中读至 MDR

执行周期

• 数据流（具体指令具体分析）

• 微操作（具体指令具体分析）

中断周期

• 数据流

序号	数据流	解释说明
1	CU 控制将 SP 减 1 \(\rightarrow\) MAR \(\rightarrow\) 地址总线 \(\rightarrow\) 主存	将栈顶指针送入主存
2	CU发出写命令 \(\rightarrow\) 控制总线 \(\rightarrow​\) 主存	CU 向主存发出控制信号
3	PC \(\rightarrow\) MDR \(\rightarrow\) 数据总线 \(\rightarrow\) 主存	保存断点到主存
4	CU ( 中断服务程序的入口地址 )\(\rightarrow\) PC	将中断服务程序的入口地址送入 PC

（★★）数据通路及控制器

（详见教材）

（★★）异常与中断

（详见教材）

解题技巧及重要结论

• 几个概念的关系
  • 指令与微程序一一对应
  • 微程序由多条微指令
  • 每条微指令中又有多条微操作
• 若指令系统中，具有 n 种机器指令，则控制存储器中的微程序数量至少为 n + 2 （ 2 的含义：1 条公共取指，1 条处理中断）
• 指令流水线中的计算
  • 吞吐率
    • 基本公式
      • \(TP=\frac{n}{T_k}\) ，
        • \(n\) 为任务数，\(T_k\) 是完成 \(n\) 个任务所花费的时间
    • 当流水线各段处理时间相等时，进一步有
      • \(TP=\frac{n}{(k+n-1)\Delta t}​\)
        • k 级流水线，\(\Delta t\) 为时钟周期
  • 加速比
    • 基本公式
      • \(S=\frac{T_0}{T_k}\)
    • 当流水线各段处理时间相等时，进一步有
      • \(S=\frac{kn\Delta t}{(k+n-1)\Delta t}=\frac{kn}{k+n-1}\)
  • 流水线效率
    • \(E=\frac{T_0}{kT_k}\)
      • \(T_0\) 为顺序执行 \(n\) 个任务所用的总时间
• 依据各段指令的时间，确定时钟周期：选各段指令的时间最大的
• 超标量流水线的含义：指的是 CPU 中存在一条以上的流水线，在每个时钟周期内可以完成一条以上的指令（空间换时间）
• 单流水线处理机（度为 1 ）和超标量流水线（度为 d）的多条指令连续执行的时间计算问题
  • 利用公式 \(T_k=(k+n-1)\Delta t\) ，其中 k 级流水线，n 为指令条数， \(\Delta t\) 为时钟周期
  • 注意：超标量中指令条数要除以度数，再带入公式计算
• 影响流水线的因素
  • 结构相关（资源冲突）
    • 多条指令同一时间竞争统一资源
    • 解决方案
      • 前一条使用时，后一条等待一个时钟周期
      • 设置更多的相关资源
  • 数据相关（数据冲突）
    • 后一条指令需要前一条指令执行完毕才能执行（比如说后一条指令需要前一条指令计算的结果）
    • 解决方案
      • 后一条指令中插入 NOP 操作，等待前一条指令执行完成
      • 设置数据旁路
      • 编译优化，调整指令顺序
  • 控制相关（控制冲突）
    • 指令跳转时，导致流水线断流
    • 解决方案
      • 分支预测
      • 等

参考资料

1. 计算机组成与系统结构.袁春风等
2. 2020年计算机组成原理考研复习指导.王道论坛