21.第21节课第五章CPU的结构和功能

罗泽兵 · 发表于 2024-4-15 09:10:50

同学们，大家好，接下来我们来进入第五章的学习简章是咱们计算机组成原理非常重要的一章内容。也是我们的重点和难点。第五章是讲的CPU的结构和功能。他分为以下四个小节来给大家进行讲解。第一节是讲的CPU的功能和基本结构，第二节是指令的周期，第三节是控制器的功能和工作原理。第四节讲的是指令的流损，那么我们接下来来分别看一下本章节的论纲。那么，接下来我们分别看一下本章节中的内容，首先我们来看一下CPU的功能和基本结构。在了解cpu的功能之前，

我们先看什么是cpu，什么是中央处理器。当用计算机解决某个问题的时候，我们首先必须为它编写程序啊，我们都知道。我们的程序啊，程序是什么呢？程序是一个指令序列，他告诉计算机应该执行什么样的操作？在什么地方找？用来操作的数据嗯。程序程序是一个指令的序列。他告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方找用来操作的数据。一旦把程序装入内存储器当中，

我们就可以由计算机来自动的去取出指令和执行指令的任务。他可以专门用来完成此项功能的计算机部件，我们就称为中央处理器。就是专门用来完成取指令和执行指令等相关任务的程序啊。完成此项工作，计算机的部件我们称为中央处理器，通常呢，我们简称它为CPU。CPU对整个计算机来说是计算机系统的一个核心，那么它既然这么重要，我们就来。了解一下它有什么样的功能？CPU的功能首先它能够进行指令的控制，还能够进行操作控制。时间控制，

中断处理和数据加工这五个方面的内容。那指令控制操作控制时间控制和中断处。他们都有分别指的是什么呢？指令控制是指完成取指令，分析指令和执行指令的操作，是我们程序的一个顺序控制。操作的控制只能是CPU管理，并产生由内存。操作控制指的是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，从而去控制这些部件，按照指令要求进行动作。啊，进行一系列的操作，

我们按照相关的指令进行相应的操作啊，是我们的操作控制。时间控制是对各个操作实施时间上的一个控制，我们在执行这个操作时，我们先执行还是后执行在时间上？是怎么样来控制他的？分指的是时间控制他为每条指令的顺序提供拥堵的控制信号。要按照什么样的顺序去执行，要按照什么样的先后顺序去执行，相应的指令，这里就是我们时间控制他为每条指令顺序。就会拥有的一个控制信号。再往下，就是我们综犯错误。再往下是我们的中断处理，

他指的是对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊情况进行了处理。如果说我们在计算机运行的过程当中出现了异常，或者一些其他的特殊情况，那么我们这里就要启动我们的中断处理程序。进行一个中断处理。CPU的功能除了以上之外，还有我们数据加工功能，数据加工功能是指的。对数据进行一个算术运算或逻辑运算的一个处理，我们拿到了这条数据，我们。取到了这条指令，然后分析了这条指令，并且执行相应的操作，而在这个过程当中，

我们还会需要对它进行一个先后顺序上的控制。也就是在时间上进行一个相应的控制，如果在执行指令的过程当中出现了异常或特殊情况，那我们需要对它进行一个中断处理。除此之外，还要需要对数据进行一个算术运算或逻辑运算，就是对它进行一个数据的加工。嗯，这是我们CPU的一些功能。CPU的功能当中，我们有取指令，分析指令。在CPU的功能当中，我们有。在控制器的功能上，

我们有取指令，分析指令，执行指令，发出各种操作的命令。并且控制程序输入及输出的结果。还有就是总线管理，还有就是处理异常情况和特殊请求，就是我们的中断处理。在运算器的功能方面，我们可以实现运算速，运算和逻辑运算，所以我们CPU的功能上，我们可以把它分成两大块。一个是控制器的功能，一个是运算器的功能，

控制器的功能就包括取指令当中的指令控制。分析指令。执行指令发出，各种操作的命令使操作控制。还有就是我们在时间上的一个控制控制程序输入及结果的一个输出的先后作用，在时间上进行一个控制是我们的时间控制。再就是处理中断，处理c在执行指令的过程当中的一些异常情况和特殊情况和请求。这是我们控制器的功能，运算器的功能就是我们刚刚所说的数据加工的功能，它来实现算术运算和逻辑运算这些基本的运算操作。这是我们CPU的功能，看看CPU的功能之外，我们再来了解一下CPU的结构，我们刚刚也提到过CPU的功能可以分为两大块，

一个是预算功能，一个是。什么功能是控制器的功能，一个是运算器的功能。运算器指的是什么呢？他是指接受控制器的命令而进行动作执行，部件负责数据的加工和处理。就包括我们的算术逻辑单元。进行算术运算和逻辑运算，就是我们平常所说的alu。还有暂存寄存器，暂存寄存器是什么呢？他能够暂存从储存中读取的数据。但是它不能放于通用计算器当中。对应用程序员来说是透明的啊，

就是我们在暂程序程序当中。可以将我们从组存当中读取的数据进行暂时的存放，在我们的计程器当中，所以值得注意的是他对应用程序员来说是透明的。除了但存寄存器和算术逻辑单元alu之外，我们还要累加寄存器。累加寄存器，它是一个通用的寄存器。赞成alu运算的一个结果，可以作为加法的一个输入端，他是将我们赞成，将我们alu运算的结果。暂时存放在我们的累加寄存器当中，他是一个通用寄存器。还有就是我们通常所说的通用进行字符，

比如说axdxdxdxsp等等。它是用来存放操作数和各种地址信息的，这里的AI这里的SD指的是指示的是站点的地址。啊，这里就是我们所说的算数逻辑单元，单纯计算器，累加计算器，还有通用计算器组的概念。那我们接着往下看。还有我们经常提到的程序状态条件进行器就是psw。比如说溢出标志OP比如说。符号标志sf比如说零标志CF。比如说保留嗯。算术逻辑运算。指的是指令或者测试指令的结果，

而建立的各种状态信息移位系指的是对操作数或运算结果进行移位运算。计数器是我们能够控制存储运算的操作步骤，我们这里经后期我们会经常用到我们计算器啊，游戏啊等等这些东西。这些部件他们的概念是什么？是需要同学们掌握的。我们接着往下看CPU的结构当中的控制器，控制器，它指的是系统的指挥中枢。控制运算器，存储器IO嗯IO构成的引擎整体。全机协调完成相关的指令，它的基本功能。是执行指令，每条指令的执行是由控制器发出的一种微操作来实现的啊，

是由我们。在执行指令的过程当中，我们每条指令执行都是由控制器发出的一条微操作来实现的。还有两种类型，由硬部件，控制器和微程序控制器。他的工作原理是什么呢？首先第一条是他从内存中取出一条指令，并取出下一条指令，在内存当中的位置。我们取出来这条指令之后。取出来之后，还还需要再去指出下一条指令，在内存当中的位置。同时，

对指令进行译码或者测试，根据指令操作码指令的执行步骤啊，包括我们的微动性序列。和条件信号来形成当前计算机各部件要用到的控制信号，第三点呢，是指挥整机各运算系统在这个。控制信号的控制下进行协同运行，并且产生预期的执行结果，比如说bscscsst等等。存放操作数和各种地址信息，这个SD指的是站点的地址。这是我们控制器的一个工作原理。除此之外，我们还需要知道，在控制器的当中，

我们有程序计时器，指令计时器。指令密码器存储地址，寄存器存存储数据，寄存器时序系统。微操作信号发生器这几个方面的内容，那我们的程序计数器是什么呢？程序计时器是是指出下调指令在组成中存放的字体，它有自身的一个功能，就比如说我们PC。找下一条，再指出下一条就是PC+1，还有一个自动加一的功能，就是自增功能。指令计算器是指的保存，

当前正在执行的哪条指令？我们当前执行的哪条指令放存？放在我们指令计算器当中。啊，指令密码器是仅对操作码字段进行一定密码，向控制器提供特定的操作信号。存在密码器，它是能够对我们的呃操作码进行一个密码。并且向控制器提供特定的操作信号，它要执行什么样的操作啊？我们通过指令译码器把它进行翻译。存储器地址进行器指的是存放要访问的主存单元的地址啊，存储器地址进行器就是存放我们。组存地址的啊，一个一个一个寄存器，

存储器数据，寄存器是存放的。向组群中写入的信息，或从组群中读取相关信息。时序系统是指的产生各种时序的信号，由统一时钟分行得到微操作信号，发生器是根据我们的ir的内容。psw的内容。持续信号产生的控制，整个计算机系统所需的各种控制信号。它的结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种，就是我们的CPU的基本结构当中的控制器。那我们接下来再看一下我们QQ结构的相关框图。我们可以看到，有指令控制操作，

控制时间，控制数据加工和处理中断，就是我们的这个工作。由t cir啊，我们的寄存器啊。cu还有我们的cu持续控制，持续链路进行cu的部分是进行操作和时间控制alu继成器。数据加工进行数据加工aru，然后处理中断是我们中断系统，就是我们的。CPU与系统总线，它与我们的控制总线，数据总线和地址总线是进行一个数据交互的。那我们CPU的内部结构，大家可以看到在alu当中有状态标志移位取反。

算数和不稳逻辑啊，然后内部的QQ数据总线和我们的寄存器之间进行一个数据交换。同时，计算器和CEO还有我们中断系统啊之间都有数据的一个交互。内部的CPU数据总线还有我们的控制信号去控制我们的alu。这是我们CPU的内部结构。我们讲完了第一小节当中的内容，我们接下来往下看，我们的第二小节指令周期。再讲我们指令周期，首先第一个知识点是我们指令周期的一个基本概念。什么是指令周期呢？他是指的CPU从主存中取取出并执行一条指令所需的时间。CPU从主存当中，我们取出指令，

并且执行一条指令所需的时间，我们称之为一个指令周期。也就是CPU完成一条指令的时间。常常它是用热若干个机器周期来构成的，来表示的。我们可以看到这个图当中啊，在一条指令周期，我们有三个机器周期来进行表示啊，第一个是进行取指令，第二个机器周期表示的取有效的地址。第三个机械周期表示的是执行的指令那么好，我们这三个周机器周期来。共同表示，我们一条指令主题就是我们在CPU组成当中取出一条指令，并且执行这条指令。

所需的时间是由这三个经济周期所之和来表示的。这里我们要注意的是，机器周期和时钟周期，我们这里的时钟周期又称为节拍或者是t周期。是CPU操作的一个基本单位，每个指令周期内机器周期数可以是不等的，我们每个指令周期它可以是三个，也可以是两个，它是不等的。每个平均周期内节拍数也可以是不等的，我们这里机器周期的，它的节拍数。时钟周期是七零七一七二七三是相等的，当然它也可以是不同的，正常的就是我们。

系周期可以分为一个正常的记忆周期和不正常的记忆周期。我们一个七零就是一个时空周期，是有一个额高电位到一个低电位，有一个高到一个低，这一个来组成的一个贴零。七零一七二七三，我们组成一个机械周期，用三个机械周期来组成我们的指令周期，这三个机器周期包含了取指令。取有效的具体执行指令，也就是说我们的指令中心是从CPU当中。取出一条指令，并且来执行这一条指令所需的一个时间。这是我们指定周期的一个概念。指令周期指的是取出并执行一条指令所需的全部时间，

那么我们完成一条指令的话，需要取指进行指令分析，然后。是它是一个取止周期执行，然后是一个执行周期，我们这里可以看到我们将取止和分析。指令嗯，放在了我们的取指周期里面执行指令，在执行周期里面取指阶段指令周期，它包含了两个阶段。一个是进行取值阶段，一个是执行阶段，取出并执行标值两个阶段，在取值阶段我们发现了取值和分析指令。这是我们的指令周期的概念。

好，那我们接着往下看。每条指令的指令周期是不同的。比如说我们进行一个空操作，空操作，那这里我们只需要取出指令就可以了，那它的指令周期就是取指周期。进行一个空操作，再比如说我们进行一个加法运算啊abd。它包含的指令周期是由取止周期和执行周期两个，两个周期加起来是。是我们的指令周期，再比如说我们进行一个乘法运算啊，包括他的一个取舍周期和执行周期。那这里我们的执行周期可能会有很多个来进行组成，

在这过程中我们的指令周期，所以就是说我们的空操作加法运算和乘法运算他们的。这些指令你进行一个空操作的指令和进行一个加法运算的指令和进行一个乘法运算的指令，他们的指令周期是不同的。在空操作当中，指令周期它就等于取水周期。在JAVA印象当中，指令周期它等于取水周期和执行周期之和。在乘法运算当中，嗯，我们在JAVA运算当中，他执行周期只有一个执行周期，在乘法运算当中。他的指令周期等于取值周期，加上执行周期之和，

但是值得注意的是，我们执行周期可能会有很多个执行周期来组成，所以说每条指令。的命周期，它是不一不相同的。我们接着往下看，具有间接群体的指令周期和具有间接群体的指令周期，这里面指令周期包含了什么？包含我们取舍周期，限制周期和执行周期这三个啊，由这三个来组成。还有就是我们经常看到的就是带有中断周期的执行周期，那么那指令周期带有中断周期的指令周期。这个使命周期包含了取止周期，间止周期，

执行周期，还有我们的中断周期，这四部分来组成了我们的。执行指令周期啊，这是我们带有中断周期的指令周期。那我们再继续往下看指令周期的一个相关流程是什么样的，我们知道了，了解了我们指令周期跟每条指令周期是不同的啊。还有我们中段的指令周期，还有我们现实的指令周期是什么样子的，那我们就要知道指令周期的一个相关流程。我们在指定周期当中有取舍周期，限制周期，执行周期，中断周期啊，

取舍周期，它的指的是取值。限制周期就是取我们的有效地址和有效地址是什么？我需要把有效地址取出来，然后再去。执行啊，取出我们操作数啊，我们中断周期，它是保存程序的一个断点，保存程序的一个断点。它的一个流程图，我们可以看一下，第一步我们先进行取指图七啊，进行一个取指嗯，取出指令。

然后再去判断是否有限制，如果有限制的话，我们执行完的一个限制周期啊，限制周期。之后，然后再进入我们的执行中心啊，执行中心。在直行车周期，你走完之后，然后再去判断是否有中断，如果有中断的话，我们进行了一个中断操作，这样的话就需要一个中断周期。所以说这样的话，我们就结束啊，

如果说在取止阶段，他没有限制，那我们直接进行执行周期啊，进入我们的执行周期阶段。没有中断啊，我们就这个周期就等于趋势周期加执行周期，如果有中断，那我们就进入我们的中断周期嗯。就是指令周期等于区域周期加指令周期加中断周期，这是我们指令周期的一个流程啊，他总结概括了我们以上刚刚讲到的四个。周期的一个内容啊，是指定周期，它等于什么啊？你们现在是什么样子的？

在流程是什么样子的？好，除了这个之外，我们还需要知道CPU，我们的第六个地方讲的内容是CPU的周期的一个标志啊，周期的标志。CPU访问有四种性质，也就是我们所说的去指令，去地址，去操作数，纯程序的断点啊，纯程序的断点就是我们的。中断周期啊，区指令就是区域周期，取地址就是我们的地址周期，

取操作数是我们的执行周期。就是CPU四个CPU的四个工作周期啊，如果是。嗯，有一个它的一个标准就是一啊，如果是嗯一的话啊，我们的取值定为一的话，取值周期为一，那我们就执行。然后去除周期啊嗯，那个建筑周期用ing来表示啊，是取出我们有效地址。es来表示，我们执行周期，并且来表示我们的一个中断程序是否保存我们的相关程序。

这是我们CPU访问保存的四种性质，四种性质。四个中心的一个标志。他这样的一来表示，他啊，直线在不操作，如果是零表示没有啊。还有就是我们接着往下看，我们的第二块内容是指令周期的数据流，取指周期的数据，数据流指令周期的数据流，包括第一点当中呢，是我们要讲到的取指周期的数据流。数据流，它是根据指令的要求依次访问数据的序列。

不同的指令，指令的不同阶段，数据流是不相不同的。趋势周期的数据流根据PC中指令地址，从组成当中取出指令代码，存放到我们ir当中。同时，我们的PC+1。我们可以通过这个图来，具体的来看一下，分析一下。这里我们的CPU包括了我们的PC mar mbr，还有我们的ir。还有我们的cu啊cu。PC由首先由PC到mar，

然后再将数据存到我们的地址总线进行。与群址，然后再再走到我们的再访问我们的主存储器，访问我们的储存器，我们同时我们的cu啊去访问我们的控制总线啊，由控制总线再到我们的存储器当中。储存当中，储存与此同时去访问数据文件，然后再到我们的mdr当中，再到我们的ir。然后到in l当中cu发出读命令，发出读读的命令，读了命令之后，然后PC+e进行下一步操作，就是取指周期的数据流。

限制周期的数据流，我们同学们可以来看一下哈，限制周期是去操作室的一个有效地址的，我们是怎样从操作室当中？嗯，怎么样取出我们操作室的有效地址？首先我们从md mdr当中啊去访问我们的mar。到达我们的地址总线再访问我们的主存储器。同时cu发出一个读的命令啊，发出读的命令，再由控制总线访问主存储存，再到再将数据传输到我们的数据总线。而数据总线在将我们的mdr当中的有效地址读出，访问出我们的有效地址。取出操作数当中的有效地址返回md 2，

这是我们限制周期的数据流。那执行周期的数据流是怎样来去判断的？不同指令的执行周期的数据流是不同的。根据我们ii中指令的操作码和操作次中的。通过alu操作产生的一些执行结果，这是我们执行周期的数据流，中断周期的数据流。处理中断请求啊，我们假设程序嗯，程序的断点存入到堆栈当中，存入到我们的堆栈当中啊，假设SP站点为站点地址。我们先修改指针后，可能有数据，首先我们cu我们修改指针sfp- 1输出数据fp。

访问访问我们的mar。咳咳。最后，访问我们的嗯，从XP到我们的mar，再到我们的地址总线，由地址总线到。我们的组成体系，然后同时cu，然后进行一个写的命令到控制总线，控制总线访问我们的主存。PC访问我们mdr从数mdr当中，然后传入我们的数据总线，将数据存入我们数据总线。然后存入我们的储存当中，

程序断点存入储存，然后cu进行一个中断服务程序的一个入口。呃，将数据。给PC就是我们中断周期的数据流是这样的。那我们接着往下看，了解完以上知识点之后，我们接着看我们的第三块内容指令的执行方案。什么是指令的执行方案？一个执行作，它是指的一个执行周期中通常有多个执行步骤。从性能和成本出发，还有三种方案来安排这些执行步骤。这里是从性能和成本出发的来划分的三种。方案首先第一个是单指令周期。

单指令周期它会降低系统的运行速度。所有的指令都选用相同的执行时间来完成，指令在固定的时钟周期内完成，指令串行执行，这是我们的单指的周期。他是串行执行的，并且是在固定的时钟周期内完成啊，就是所有的题目都选用同一时间来进行执行。这样的话，他就会降低我们系大大的降低我们系统的运行速度。除了单指令周期之外，还有多指令周期，它指的是不同类型的指令，选用不同的执行步骤来进行完成。指令所需的时间周期固定指令。

先串行执行。还有一种就是流水线方案，指令指令间可以并行执行，而处于不同执行的。步骤中，我们可以进行一个变形。一个时钟周期启动，一条指令力争在每个时钟周期内内完成。一条指令的执行。这是我们三种指令执行的方案，单指令周期，多指令周期和流水线方案。好，以上就是我们第二节当中所讲到的内容。

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