学习笔记计算机组成原理_中央处理器

妖狐艹你老母 2022-09-10 11:28 255阅读 0赞

## **主要内容** ##

指令的执行过程、  
CPU的基本功能和基本组成  
数据通路的工作原理和设计方法  
流水线方式下指令的执行过程

**名称解释**  
指令周期： CPU取出并执行一条指令的时间。

## 4.1.1 程序及指令的执行过程 ##

CPU执行一条指令的步骤  
1.取指令。即将执行的指令的地址总是在程序计数器（PC）中，因此，取指令的操作就是从PC所指出的存储单元中取出指令送到指令寄存器（IR）。  
2.对指令译码。不同的指令具有不同的功能，因而需要不用的操作控制信号，CPU应根据不同的指令操作码译出不同的控制信号。  
3.计算源操作数地址并取操作数。若源操作数是寄存器中的数据，则直接从寄存器取数，进行下一步操作；若是存储器操作数，则需要访问存储器，在访存之前，需要更具寻址方式确定源操作数地址计算方式。  
4.数据操作。在ALU或加法器等运算部件中对取出的源操作数进行运算。  
5.目的操作数地址计算并存结果。若是运算结果要被存储到存储单元中，则需要一次或多次访存（间接寻址时）;若结果被存到寄存器，则在进行数据操作时直接存结果到寄存器。  
**如果是串操作或向量运算指令，则可能会并行执行或循环执行第3~5步多次**  
6.指令地址计算并将其送PC。顺序执行时下条指令地址只要将PC加上当前指令长度即可。  
**对于上述过程的12步所有指令的操作都是一样，35步不同指令的操作可能不同**

## 4.1.2 CPU的基本功能或基本组成 ##

CPU最基本的部件是**数据通路**和**控制部件**  
**数据通路**  
1.程序计数器（PC）。程序计数器又称为指令计数器或指令指针寄存器（IP）,用来存放即将执行指令的地址,取指令时，总是先把PC的内容送到地址线。正常情况下，指令地址形出有两种方式：  
① 顺序执行时，PC+“1”形出下条指令地址（“1”是指一条指令的字节数）。有的机器中PC本身具有“+1”的功能，也有的机器借用运算部件完成。  
② 需要改变程序执行顺序时，通常会根据转移类指令提供的信息生成转移目标指令的地址，并将其作为下条指令地址送PC。每个程序开始执行之前，总是把程序中第一条指令的地址送到PC中  
2.指令寄存器（IR）。指令寄存器用于存放现行指令。  
3.指令译码器（ID）。指令译码器对指令寄存器中的操作码部分进行分析解释，产生相应的译码信号提供给操作控制信号形成部件，以产生控制型号。  
4.启停控制逻辑。脉冲源会产生一定频率的脉冲信号作为整合机器的时钟脉冲，是CPU时序的基准信号。启停控制逻辑在需要时能够保证可靠的开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发送与停止，实现对机器的启动或停机。  
5.时序信号生成部件。该部件以时钟脉冲为基础，产生不同指令对应的周期，节拍，工作脉冲等时序信号，实现机器指令执行过程的时序控制。  
6.操作控制信号形出部件。该部件综合时序信号、指令译码信号和执行部件返回的条件标志（如CF、ZF、SF和OF）等，形成不同指令的操作所需的控制信号。  
7.总线控制逻辑。实现对总线传输的控制，包括对数据或地址信息的缓冲与控制，其中包括用来缓存数据信息的存储数据寄存器MDR和用来存储地址的存储器地址寄存器MAR。CPU对存储器的访问通过总线进行，CPU将存储访问命令（读写控制信号）送到控制线，将要访问的存储单元地址送到地址线，并通过数据线取指令或与存储器交换数据  
8.中断机构。实现对异常情况和外部中断请求的处理。

## 4.1.3 打断程序正常执行的事件 ##