中央处理器

重点题型

• 微命令的关系（相容/互斥）
• 根据题目要求的编码方式（水平/垂直），设计微指令的控制域 6.12
• 根据题目要求的编码方式（两地址/单地址/可变地址），设计微指令的地址域 6.12
• 控存容量的计算（一般放在设计之后，按照设计结果计算）6.12
• 依据假想机框图/运算器框图/指令的微操作流程示例，完成指定功能的指令的微操作流程，给出每个微操作对应的微命令 6.15，6.17
• 给出元件设计数据通路；给出数据通路，确定元件功能
• CPU性能测量 $T_{CPU}，CPI，MIPS，FLOPS$

概念与术语

• 微操作与微命令
  • 微操作：CPU的基本或原子操作
  • 微命令：控制微操作完成的控制信号
  • 微操作流程：微操作序列
• 微指令与微程序：
  • 微指令：一个节拍下的一个或多个微操作所需的控制信号组织成的指令
  • 微程序（固件）：微指令序列
• 微地址：控制存储器的地址
• 周期

• 经典CPU周期分法：
  • 取址周期（公操作）
  • 中断周期（保护的是PC中的内容）
  • 执行周期
• 控制器：由控制单元，指令译码器，时序产生器组成
• 硬布线控制器：由控制单元，指令译码器，时序产生器组成
  • 使用最少的元件，达到最快的操作速度
  • 控制单元：组合逻辑，输出微命令
    • 微命令表达式： $C_i = \sum(M_m\cdot T_n\cdot I_j\cdot F_k)$ 以二级时序为例 - $M_m$：CPU周期
      - $T_n$：节拍 - $I_J$：指令译码器的第j个输出 - $F_K$：第k个CPU内部状态标志或CPU外部请求信号
• 微程序控制器：由控制存储器，微指令寄存器，微地址寄存器，时序逻辑组成
  • 依据微程序顺序产生所需一条指令执行时所需的全部控制信号
• 主存与控存的区别：主存在CPU外，用于执行程序的。 控制存储器在CPU内，是CPU的组成部分，用于存储微程序的。

CPU的功能与结构

• CPU基本概述
  • 主要负责获取程序中的每条指令，译码所获取的指令，针对指令指定的数据完成指定顺序操作。并确定指令的执行顺序（确定下条指令的地址）
  • 组成部分<控制器，运算器，通用寄存器组>
  • 主要寄存器
  • 数据通路
• 指令周期
  • 完成工作
    • 取下条指令
    • 取操作数
    • 执行指令
    • 检查中断，处理中断

时序系统

• 节拍周期
  • 由顺序脉冲发生器也称脉冲分配器或节拍脉冲发生器产生
• CPU周期
  • 定长CPU周期
  • 不定长CPU周期
• 指令周期
• 微操作流程（指令执行步骤）
  • 微操作描述
    • 取指周期（公操作）
    • 中断周期（不一定发生）
    • 执行周期
• 控制器
  • 组成
    • IR，PC，PSW
    • 时序部件
    • 控制单元CU
  • 设计控制器方法
    • 硬布线控制设计法
    • 微程序控制设计法

硬布线控制器设计

• 一级时序（产生节拍周期）
• 两级时序（产生节拍周期和CPU周期）
• 例题（x86控制单元为例）

• 优缺点【速度，修改不灵活，电路实现困难】

微程序控制器设计

• 组成
  • 控制存储器 $CM$（控存）
  • 微指令寄存器 $\mu IR$，微地址寄存器 $\mu AR$
  • 时序逻辑
• 工作过程：
  1. CPU执行某条指令，该指令的操作码和地址码经译码器生成该指令对应微程序的首地址，微程序启动
  2. 时序逻辑发出给控制存储器发出read信号，并从微地址寄存器中得到微指令存储地址，将微指令送入微指令寄存器
  3. 微指令寄存器产生控制信号和下一条微指令地址信息（微地址）
  4. 时序逻辑根据微地址信息和CPU内外状态，给微地址寄存器加载新的微地址
• 微指令设计
  • 微指令<地址域，控制域>
  • 地址域设计

    • 两地址格式（断定方式）

      AC（=0or1）

      地址1

      地址2

      控制域

    • 单地址格式（计数方式，增量方式）

      AC（=0or1）

      地址

      控制域

    • 可变格式

      1. 控制微指令

         S（=0）

         控制域

      2. 转移微指令

         S（=1）

         分支控制

         地址

  • 控制域设计（编码）

    • 水平型微指令控制域编码

      直接表示法

      • 一个位 $\rightarrow$ 一个控制信号（$n\rightarrow n$）

      译码法

      • 一种编码 $\rightarrow$ 一个控制信号（$n\rightarrow 2^{n}$）

      字段译码法

      • 组内（互斥信号）垂直编码，组间（相容信号）水平编码
      • 直接译码方式，间接译码方式

    • 垂直型微指令控制域编码 | 微操作码|微操作数

    • 优缺点【控制域的长度，并行能力，控制信号的译码电路】
  • 微程序设计
    • 微程序结构
      • 一条指令对应一段完整的微程序
      • 将微程序中的公共部分设计成微子程序进行公共调用
    • 编写微程序
  • 微程序控制器设计

CPU性能测量与提高

• CPU性能测量
  • $T_{CPU} = N*T_{CLK} = \frac{N}{f_{CLK}}$（s）CPU时间
  • $N = \sum{CPI_i\cdot I_i}$
  • \[MIPS = \frac{I}{T_{CPU}*10^6} = \frac{f_{CLK}}{CPI*10^6}\]
  • $FLOPS = \frac{M}{T_{CPU}}$
• 提高CPU速度的策略
  1. 采用更先进的硅加工制造技术
  2. 缩短指令执行路径长度
  3. 简化组织结构来缩短时钟周期
  4. 采用并行处理技术