CPU的功能和组成（CPU的主要组成）

　　一、CPU 的结构

　　1.CPU 的功能

　　(1)取指令

　　控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能

　　(2)分析指令

　　①分析指令要完成什么操作

　　②分析参与这次操作的操作数地址

　　(3)执行指令

　　2.CPU 的寄存器

　　(1)用户可见寄存器

　　①通用寄存器

　　②数据寄存器

　　③地址寄存器

　　④条件码寄存器

　　(2)控制和状态寄存器

　　①MAR ，存储器地址寄存器

　　②MDR ，存储器数据寄存器

　　③PC ，程序计数器

　　④IR ，指令寄存器

　　⑤PSW ，程序状态字寄存器

　　3.控制单元和中断系统

　　(1)控制单元

　　提供完成计算机全部指令操作的微操作命令序列部件

　　(2)微操作命令序列形成方法

　　①硬连线逻辑

　　②存储逻辑

　　二、指令周期

　　1.指令周期的基本概念

　　(1)CPU 每取出并执行一条指令所需的全部时间

　　(2)取指周期

　　(3)间址周期

　　(4)执行周期

　　2.指令周期的数据流

　　(1)取指周期的数据流

　　(2)间址周期的数据流

　　(3)执行周期的数据流

　　(4)中断周期的数据流

　　三、指令流水

　　1.指令流水原理

　　(1)指令的处理过程

　　①取指令

　　②执行指令

　　③更细致分解

　　取指（ FI )

　　指令译码（ DI )

　　计算操作数地址（ Co )

　　取操作数（ FO )

　　执行指令（ El )

　　写操作数（ WO )

　　(2)为了减少时间损失，采用猜测法

　　2.影响流水线性能的因素

　　(1)结构相关

　　也称资源相关，是当指令在重叠执行过程中，不同指令争用同一功能部件产生资源冲突时产生的

　　(2)数据相关

　　①流水线中的各条指令因重叠操作，可能改变对操作数的读写访问顺序，从而导致了数据相关冲突

　　②可采用后推法解决

　　(3)控制相关

　　①主要由转移指令引起

　　②解决方法

　　可以采用尽早判别转移是否发生，尽早生成转移目标地址

　　预取转移成功或不成功两个控制方向上的目标指令

　　加快和提前生成条件码

　　提高转移方向的猜准率等

　　3.流水线性能

　　(1)吞吐率

　　①单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量

　　②最大吞吐率

　　③实际吞吐率

　　(2)加速比

　　m 段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比

　　(3)效率

　　流水线中各功能段的利用率

　　4.流水线中的多发技术

　　(1)超标量技术

　　(2)超流水线技术

　　(3)超长指令字技术（ VLIW )

　　5.流水线结构

　　(1)指令流水线结构

　　①将指令的整个执行过程用流水线进行分段处理

　　②对机器性能的改善程度取决于把处理过程分解为多少个相等的时间段数

　　(2)运算流水线

　　四、中断系统

　　1.中断请求标记和中断判优逻辑

　　(1)中断请求标记

　　中断请求触发器（ INTR )

　　(2)中断判优逻辑

　　①硬件排队

　　②软件排序

　　2.中断服务程序入口地址的寻找

　　(1)硬件向量法

　　利用硬件产生向量地址，再由向量地址找到中断服务程序的入口地址。

　　(2)软件查询法

　　用软件寻找中断服务程序入口地址

　　3.中断响应

　　(1)响应中断的条件

　　(2)响应中断的时间

　　(3)中断隐指令

　　①保护程序断点

　　②寻找中断服务程序的入口地

　　址

　　③关中断

　　④在机器指令系统中没有的指令，它是 CPU 在中断周期内由硬件自动完成的一条指令。

　　4.保护现场和恢复现场

　　(1)保护现场

　　①保护程序断点

　　②保护 CPU 内部各寄存器内容

　　的现场

　　(2)恢复现场

　　指在中断返回前，必须将寄存器的内容回复到中断处理前的状态，这部分工作也由中断服务程序完成。

　　5.中断屏蔽技术

　　(1)多重中断的概念

　　①多重中断，又叫中断嵌套

　　②单重中断

　　(2)实现多重中断的条件

　　①提前设置“开中断”指令

　　②优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源

　　(3)屏蔽技术

　　①屏蔽触发器与屏蔽字

　　②屏蔽技术可改变优先等级

　　响应优先级

　　处理优先级

　　③屏蔽技术的其他作用

　　(4)多重中断的断电保护

　　

　　框架