基本结构和功能

CPU的功能

指令控制：完成取指、分析指令和执行指令的操作
操作控制：一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的，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：对各种操作加以时间上的控制，要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号
数据加工：进行算术或逻辑运算
中断处理：对计算机运行过程中的异常状况和特殊情况进行处理

运算器和控制器的功能

运算器：对数据进行加工
控制器：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
- 取指令：自动形成指令地址，自动发出取指令的命令
- 分析指令：操作码译码，产生操作数有效地址
- 执行指令：根据分析指令得到的命令和操作数地址，形成控制序列，控制其他设备完成操作
- 中断处理：管理总线及输入输出，处理异常情况和特殊请求

基本结构

运算器

算术逻辑单元ALU：进行算术/逻辑运算
通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数和各种地址信息，SP为堆栈指针，指示栈顶地址
暂存寄存器：暂存主存读来的数据，它不能放在通用寄存器中
累加寄存器：通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果信息，实现加法
程序状态字寄存器：保留由算术逻辑运算指令或测试指令结果简历的状态信息，如OP、SF、ZF、CF
移位器：运算结果移位运算
计数器：控制乘除运算的操作步骤

上图为专用数据通路方式：根据指令执行中的数据和地址流动方向安排连接线路

但如果直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据

使用多路选择器，根据控制信号选择一路输出
使用三态门，可以控制每一路是否输出

这种方式性能高，基本不存在数据冲突，但是复杂

上图为CPU内部单总线方式：将所有寄存器的输入和输出端都连接到一条公共通路上

这种结构简单，容易实现，但数据传送产生较多冲突，性能较低

可以在其中一端放一个暂存寄存器，暂时存储从主存来的数据

如两个操作数来自R0和主存，最后结果存回R0，则为了不破坏运算前R0的内容，主存来的操作数就会直接放入暂存器

控制器

程序计数器PC：指出下一条指令在主存中的存放地址，自增
指令寄存器IR：保存当前正在执行的指令，其中地址码送给内部总线，操作码送给控制单元CU中的指令译码器ID
指令译码器ID：对操作码字段译码，向控制器提供特定操作信号
时序系统：产生各种时序信号，由统一时钟分频得到
微操作信号发生器：根据IR的内容，PSW的内容及时序信号，产生控制整个计算机系统所需要的各种控制信号
存储器地址寄存器MAR：存放要访问的主存单元地址
存储器数据寄存器MDR：存放向主存写入和读出的信息

指令执行过程

指令周期

CPU从主存中取出并执行一条指令所需的全部时间

指令周期常用若干机器周期表示，又称CPU周期

一个机器周期又包含若干时钟周期（节拍，T周期），是CPU操作最基本的单位

每个指令周期内机器周期可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等

例：

周期流程

指令周期的流程大体如上，通过触发器来指明当前是什么周期

取指周期

当前指令地址送至MAR，记作\((PC)\rarr MAR\)
CU发出控制信号，经控制总线传到主存，发出的是读信号，记作\(1\rarr R\)（R为读操作的接口）
将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记作\(M(MAR)\rarr MDR\)
将MDR中的内容（此时为指令）送入IR，记作\((MDR)\rarr IR\)
CU发出控制信号，形成下一条指令地址，记作\((PC)+1\rarr PC\)

间址周期

将指令的地址码送入MAR，记作\(Ad(IR)\rarr MAR\)或\(Ad(MDR)\rarr MAR\)(因为MDR是复制入IR的)
CU发出控制信号，启动主存读操作，记作\(1\rarr R\)
将MAR所指主存中的内容经过数据总线送入MDR，记作\(M(MAR)\rarr MDR\)
（可选，有的是这么实现的）将有效地址送至指令IR的地址码字段，记作\((MDR)\rarr Ad(IR)\)

执行周期

根据IR中的指令字的操作码和操作数通过ALU操作产生执行结果

不同指令的执行周期操作不同

中断周期

为了能恢复当前任务，需要保存断电，一般用堆栈保存，用sp表示栈顶地址，假设sp指向栈顶元素，进栈操作是先修改指针，后存入数据
CU控制将sp-1，修改后的地址送入MAR，记作\((sp)-1\rarr sp, sp\rarr MAR\)
CU发出控制信号，启动主存做写操作，记作\(1\rarr W\)
将断点内容（PC内容）送入MDR，记作\((PC)\rarr MDR\)
CU控制将中断服务程序的入口地址（由向量地址形成部件产生）送入PC，记作\(向量地址\rarr PC\)

指令执行方案

单指令周期

对所有指令选用相同执行时间，对于指令之间串行执行，指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间

这样对于本来可以在更短时间内完成的指令，会浪费时间，整体会降低运行速度

多指令周期

对不同类型指令选用不同步骤执行，指令之间串行执行，可以选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行过程

流水线方案

在每一个时钟周期启动一条指令，尽量让多条指令同时运行，但各自处在不同执行步骤中，指令之间并行运行

数据通路

数据通路即数据在功能部件之间传送的路径，由控制部件产生的控制信号建立数据通路

CPU内部单总线

内部总线：同一部件间的总线，如CPU内部连接各寄存器和运算部分之间的总线
系统总线：同一台计算机系统的各部件，如CPU、内存通道和各IO接口之间连接的总线

寄存器之间的数据传送

如把PC内容送到MAR：

\((PC)\rarr Bus\)，PCout有效，PC内容送总线
\(Bus\rarr MAR\)，MARin有效，总线内容送MAR

主存与CPU之间的数据传送：

如CPU从主存读取指令：

将PC指向的指令地址放到MAR：\((PC)\rarr Bus \rarr MAR\)，PCout和MARin有效，现行指令地址传入MAR
\(1\rarr R\)，CU通过控制总线发读命令
\(MEM(MAR)\rarr MDR\)， MDRinE有效，根据MAR的地址读出对应数据，通过数据总线送入MDR
\(MDR\rarr Bus\rarr IR\)，MDRout和IRin有效，现行指令传入IR

执行算术运算或逻辑运算

如一条加法指令：

\(Ad(IR)\rarr Bus\rarr MAR\)，AdIRout和MARin有效

或\((MDR)\rarr MAR\)，MDRout和MARin有效
\(1\rarr R\)，CU发读命令
\(MEM(MAR)\rarr 数据总线 \rarr MDR\)，MDRin有效
\((MDR)\rarr Bus \rarr Y\)，MDRout和Yin有效，操作数传入Y
\((ACC)+(Y)\rarr Z\)，Accout和ALUin有效，CU向ALU发送加命令
\((Z)\rarr Bus\rarr ACC\)，Zout和ACCin有效，结果传入ACC

专用数据通路

取指周期

\((PC)\rarr MAR\)，C0有效
\((MAR)\rarr 主存\)，C1有效
\(1\rarr R\)，CU向主存发送读命令
\(M(MAR)\rarr MDR\)，C2有效
\((MDR)\rarr IR\)，C3有效
\((PC)+1\rarr PC\)
\(Op(IR)\rarr CU\)，C4有效

控制器设计

硬布线控制器

根据指令操作码、目前的机器周期、节拍信号和机器状态条件，控制单元CU可以确定现在这个节拍下应该发出哪些微命令

如所有指令的取指周期，T0节拍下一定要完成\((PC)\rarr MAR\)，可以依次设计出逻辑表达式\(C_1=FE\cdot T_0\)，用一个与门连接两个电路即可

设计步骤

分析每个阶段的微操作序列（取指、间址、执行、中断）：确定哪些指令在什么阶段、什么条件下会使用到的微操作
选择CPU的控制方式：采用定长还是不定长机器周期，每个机器周期安排几个节拍
安排微操作时序：如何用给定节拍完成整个机器周期内所有微操作
电路设计：确定每个微操作命令的逻辑表达式，并用电路实现

分析微操作序列

这样我们可以获得指令操作码、目前的机器周期、和机器状态条件

安排微操作时序

原则：

微操作先后顺序不得随意更改
被控对象不同的微操作尽量安排在一个节拍内完成
占用时间较短的微操作尽量安排在一个节拍内完成，并允许有先后顺序

例1：取指周期，我们假设一个机器周期有三个节拍

微操作1是寄存器之间的操作，2是和主存的操作，只要存储器空闲，就可以把他们放到T0一个节拍内完成

微操作3要在1之后，4要在3之后，5要在4之后，6在1之后

所以3和6可以在一块，没有前后依赖，可以放到T1一个节拍完成

4和5可以在一块，且他们都是寄存器间的操作，占用时间较短，可以放到T2一个节拍完成，可以有先后顺序

例2：间址操作

例3：执行周期

电路设计

列出操作时间表

这里的状态I表示是否进入间接寻址

IND表示间址周期是否结束

这里是把执行周期所有指令可能用到的都列了出来

写出微操作的最简表达式

去之前列出的表中找对应微操作，看哪些指令对应为1，就加入逻辑表达式

画出对应电路图

硬布线控制器特点

指令越多，设计和实现越复杂，一般用于RISC
如果扩充一条新指令，控制器设计就要大改，扩充指令较困难
使用纯硬件控制，速度很快

微程序控制器

微程序：由微指令序列组成，每一种指令对应一个微程序

基本格式：

工作原理

取指周期对应的微程序段通常是公用的，因此若某指令中有n条机器指令，则CM中微程序个数至少是n+1个
有些早期CPU和物联网设备的CPU可以不提供间接寻址和终端功能
物理上，取值、执行周期看起来像两个微程序，但是逻辑上要把它们看作一个整体

编码方式

水平型微命令：一条微指令能定义多个可并行的微命令

格式：
直接编码方式：在微指令的操作控制字段中，每一位代表一个微操作命令，某位为1表示该控制信号有效

优点：简单直观，速度快并行性好

缺点：微指令字节过长，控存容量极大
字段直接编码方式：将微指令的控制字段分成若干段，每段经译码后发出控制信号
字段间接编码方式：一些字段某些微命令需要由另一个字段的某些微命令来解释