计组--中央处理器

末蓝、 2024-04-23 20:09 76阅读 0赞

## 中央处理器 ##

思维导图：  
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### CPU的功能和基本结构 ###

#### 组成 ####

*  运算器
    
    运算器的功能是对数据进行加工。
 *  控制器
    
    控制器的功能是负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，包括取指令、分析指令和执行指令。
 *  寄存器

#### 具体功能 ####

*  指令控制
    
    完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序执行。
 *  操作控制
    
    一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，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
    
    对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另外，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。
 *  数据加工
    
    对数据进行算术运算和逻辑运算处理。
 *  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。

#### 基本结构 ####

*  1.  运算器
    
    运算器接收从控制器送来的命令并执行相应的动作，对数据进行加工和处理。  
    组成：主要由算术逻辑单元（ALU）、暂存寄存器、累加寄存器（ACC）、通用寄存器组、程序状态字寄存器（PSW）、移位器、计数器（CT）等组成。
 *  1.  控制器
    
    控制器是整个系统的指挥中枢，在控制器的控制下，运算器、存储器和输入输出设备等功能部件构成一个有机的整体，根据指令的要求指挥全机协调工作。  
    控制器的功能是取指令、分析指令和执行指令，并产生有关操作的控制信号。  
    控制器的基本功能是执行指令，每条指令的执行是由控制器发出的一组微操作实现的。  
    组成：由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、存储器地址寄存器（MAR）、存储器数据寄存器（MDR）、时序系统和微操作信号发生器等组成。  
    工作原理：根据指令操作码、指令的执行步骤（微命令序列）和条件信号来形成当前计算机各部件要用到的控制信号。计算机整机各硬件系统在这些控制信号的控制下协同运行，产生预期的执行结果。
    
     *  硬布线控制器
     *  微程序控制器

#### CPU模型 ####

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### 指令执行过程 ###

#### 指令周期 ####

*  CPU从主存（内存）中取出并执行一条指令的时间称为指令周期
 *  指令周期–>机器周期（CPU周期）–>时钟周期（节拍、T）

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#### 指令周期的数据流 ####

*  1.  取指周期
 *  1.  间址周期
 *  1.  执行周期
 *  1.  中断周期

#### 指令执行方案 ####

*  1.  单指令周期
 *  1.  多指令周期
 *  1.  流水线周期

### 数据通路的功能和基本结构 ###

#### 定义 ####

*  数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路，包括数据通路上流经的部件，如ALU、通用寄存器、状态寄存器、异常和中断处理逻辑等

#### 功能 ####

*  实现CPU内部的运算器与寄存器及寄存器之间的数据交换

#### 基本结构 ####

*  1.  CPU内部单总线方式
    
    将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共通路上；  
    结构简单，性能较低
 *  1.  CPU内部三总线方式
    
    将所有寄存器的输入端和输出端都连接到多条公共通路上，相较单总线方式，效率较高。
 *  1.  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，避免使用共享的总线，性能较高，但硬件量大。

### 控制器的功能和工作原理 ###

#### 1. 控制器的结构和功能 ####

*  结构
 *  功能
    
    控制器是计算机系统的指挥中心，主要功能有：  
    从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置  
    对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作  
    指挥并控制CPU、主存、输入和输出设备之间的数据流动方向  
    根据控制器产生产生微操作控制信号的方式的不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器。

#### 2. 硬布线控制器 ####

#### 3. 微程序控制器 ####

### 异常和中断机制 ###

#### 异常 ####

*  由CPU内部产生的意外事件；
    
    异常是CPU执行一条指令时，由CPU在其内部检测到的、与正在执行的指令相关的同步事件。
 *  分类
    
     *  故障（Fault）
     *  自陷（Trap）
     *  终止（Abort）

#### 中断 ####

*  由CPU外部的设备向CPU发出的中断请求被称为中断；
    
    中断是一种典型的由外部设备触发的、与当前正在执行的指令无关的异步事件。
 *  分类
    
     *  可屏蔽中断
     *  不可屏蔽中断

#### 异常和中断的响应过程 ####

*  1.  关中断
 *  1.  保存断点和程序状态
 *  1.  识别异常和中断并转到相应的处理程序

### 指令流水线（重要） ###

#### 基本概念 ####

#### 表示方法 ####

#### 基本实现 ####

#### 流水线的冒险与处理 ####

#### 流水线的性能指标 ####

*  吞吐率
 *  加速比

#### 高级流水线技术 ####

*  1.  超标量流水线技术
 *  1.  超长指令字技术
 *  1.  超流水线技术

### 多处理器基本概念（了解） ###

#### SISD、SIMD、MIMD ####

#### 硬件多线程 ####

*  1.  细粒度多线程
 *  1.  粗粒度多线程
 *  1.  同时多线程

#### 多核处理器 ####

#### 共享内存多处理器 ####

### 小结 ###

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