計算機組成原理考研複試複習-4
第五部分：中央處理器CPU
1，CPU的功能與結構？
（1）CPU的結構？
控制器，運算器，資料通路，一些暫存器
控制器：協調並控制計算機各個部件執行。具體包括：程式計數器PC，指令暫存器IR，地址暫存器MAR，資料暫存器MDR，時序系統，微程式控制器，控制器的核心是控制單元CU
運算器：執行各種運算，並將結果輸出。具體包括：ACC累加暫存器，ALU算數邏輯單元，暫存暫存器，通用暫存器組，PWS程式狀態字暫存器、移位暫存器、計數器
各種暫存器中對使用者不可見的有：暫存暫存器、移位暫存器、MAR、MDR、IR
（2）CPU的功能：指令控制、時間控制、操作控制、中斷處理、資料加工
2，指令執行的過程：
（1）各種不同的週期之間的關係（機器週期，時鐘週期、指令週期）：
時鐘週期是CPU完成一個動作（微操作）的最小時間單位，
機器週期（又稱CPU週期）完成一個指令的子工作（子步驟）所需要的時間，
指令週期：CPU從主存中取出一條指令並執行完畢所需要的時間。
通常指令週期由多個機器週期組成，機器週期的時間通常由存取週期來確定（時間最長），且機器週期由多個時鐘週期組成。
（2）指令週期的組成：
1⃣️取指週期：根據PC的內容傳入MAR，根據MAR的內容從記憶體中取出指令存入MDR中，再將MDR的內容存入IR
2⃣️間址週期：【可能不存在】（去運算元的有效地址）根據指令的地址碼部分，和尋值特徵位取出運算元的有效地址
3⃣️執行週期【不同指令各不相同】
4⃣️中斷週期：處理中斷請求
儲存斷點、送中斷向量、處理中斷請求
為了區別不同的機器週期，用觸發器FE（fetch），IND（ instruction decode），EX（execute），INT（interrupt）來進行標記。
（3）指令執行的時間安排：單指令週期（一個時鐘週期執行一條指令）、多指令週期、流水線方案
3，資料通路
資料通路結構的分類
（1）CPU內部單匯流排=>運算器需要暫存器（因為如果沒有暫存器的話，無法使ALU兩個輸入端同時有效）
（2）CPU內部三匯流排
（3）專用資料通路：每個需要傳遞資料的部件之間都有直接連線，需要多路選擇器（MUX）與三態門
控制器的內部結構
4、硬佈線控制器：
由組合邏輯技術實現，執行速度快，一般用於精簡指令集計算機（RISC），擴充指令困難。
5、微程式控制器：
（1）思想？
計算機通過控制部件對外發出各種控制命令，這種命令叫做微命令，各個接收命令的部件之後執行的操作叫做微操作，微程式控制器的思想就是將微操作訊號程式碼化，使用儲存邏輯的思想，將實現微操作的程式存入控制儲存器（CM）中。【控制儲存器CM是由ROM實現的，只讀不寫】。存入CM的每條指令叫做微指令，微指令是對要完成的一條或多條微操作的內容的封裝。這樣在對指令的OP碼進行譯碼之後，選擇相對應的微指令發出微命令控制其他部件的執行。
我們使每一個機器週期對應一串微指令序列（也可以叫做微程式，這裡有爭議可以說一個機器週期對應一個微程式，也可以說一個指令對應一個微程式），因為每一個指令的取址、間址、中斷週期執行的做的工作大致相同，所以可以使用同一個微程式，但執行週期完成的工作各不相同所以要設計不同的微指令。
（2）具體的執行過程？
1⃣️ 取到一條指令之後會放到IR中，將其中的OP碼送入微地址形成部件
2⃣️ 微地址形成部件會根據OP碼、定址特徵位決定微程式的入口地址
3⃣️ 送入CMAR，通過CMAR的地址從CM中取出微指令（分為控制訊號和下地址欄位），控制訊號（經過譯碼）輸出稱為微命令
4⃣️ 下地址欄位決定下一條執行的微指令的地址。
5⃣️ 當本段微程式執行完畢之後需要通過微地址形成部件（+OP）決定下一段的微程式的地址。
（3）與指令相同，微指令也需要設計編碼方式（即OP碼的設計）：
1⃣️ 直接編碼：每一位直接代表一個微命令（不進行譯碼）
2⃣️ 欄位直接編碼：互斥同段，相容不同段需要進行譯碼
3⃣️ 欄位間接編碼：可以進一步縮短字長，一段依賴於另一段的解釋，所以譯碼更慢
6，指令流水線
將一條指令分為多個子過程，如五段式指令流水：
IF（取值）、ID（譯碼）、EX（執行）、 M（訪存）、WB（寫回）。
影響流水線執行的因素：
（1）資料相關：屬於同步問題，等待前一條指令執行完畢之後才能執行下一條
解決方法：
暫停延後（Stall，NOP指令）
資料旁路（上一條指令的結果從ALU出來之後直接作為本條指令的輸入資料寫入ALU的輸入端）
編譯優化：調整指令順序
（2）結構相關：同一時刻爭用同一資源
解決方法：新增資源或等待一個時鐘週期
（3）控制相關：經過轉移指令或者中斷改變了PC的值，從而執行了不需要執行的指令
解決方法：
分支預測：預測將要轉移的線路
預取：提前取出轉移成功與不成果兩條線路上的指令。
加快、提前形成條件碼
提高猜準率