目录

一、CPU功能和结构

（一）CPU的功能 

1. 指令控制

2. 操作控制

3. 时间控制

4. 数据加工

5. 中断处理

（二）CU和ALU的功能

1. CU（控制器）的功能

2. ALU（运算器）的功能

（三）CPU的结构组成

1. 通用寄存器

2. 专用寄存器

二、指令执行过程

（一）指令周期

（二）指令周期流程图

（三）周期数据流

1. 取值周期的数据流 

2. 间址周期的数据流

3. 中断周期的数据流

三、控制器

（一）控制器的结构

1. 控制器的输入和输出

2. 输入信号

3. 输出信号

四、微程序控制

（一）微程序控制单元

（二）微指令的编码方式

五、指令流水线

（一）流水线方式的特点

（二）影响流水线的因素

1. 结构相关

2. 数据相关

3. 控制相关

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一、CPU功能和结构

（一）CPU的功能 

1. 指令控制

控制指令的执行、即完成取指令、分析指令、执行指令的操作

2. 操作控制

根据指令生成操作信号，并将其送入相应的部件，进而操作这些部件进行相应的操作

3. 时间控制

对各种操作加以时间上的控制

4. 数据加工

对数据进行算术逻辑运算

5. 中断处理

对计算机运行过程中的异常情况和特殊请求的处理

（二）CU和ALU的功能

1. CU（控制器）的功能

• 取出指令，并指出下一条指令在主存中的位置
• 对指令译码，产生相应的操作信号进而控制部件进行相应的动作
• 指挥并控制CPU，主存和输入输出设备之间的数据流向

2. ALU（运算器）的功能

• 执行算数和逻辑运算，并执行逻辑测试

（三）CPU的结构组成

CPU的寄存器

1. 通用寄存器

数量多，功能多，对用户可见，可以由程序编制；ACC（累加寄存器），是一个通用寄存器

例如：register int i=0

2. 专用寄存器

• 程序计数器（PC）
• 指令寄存器（IR）
• 存储器数据寄存器（MDR）
• 存储器地址寄存器（MAR）
• 状态标志寄存器（PSWR）

二、指令执行过程

（一）指令周期

（二）指令周期流程图

（三）周期数据流

1. 取值周期的数据流 

 

2. 间址周期的数据流

3. 中断周期的数据流

三、控制器

（一）控制器的结构

1. 控制器的输入和输出

2. 输入信号

（1）时钟：

• 完成每个操作都需要占用一定的时间
• 各个操作之间有先后次序之分
• 因此控制单元需要在时钟的控制下按照一定的顺序发出控制信号

（2）指令寄存器（IR）：

• 指令寄存器的操作码字段决定了指令的操作类型，因此是控制单元的输入信号

（3）标志：

• 控制单元有时候需要根据CPU当前状态产生相应的控制信号，因此“标志”也是输入信号

（4）来自总线的控制信号，如中断请求等

3. 输出信号

（1）CPU内的控制信号

• CPU内的数据传输，或控制ALU执行不同的运算等

（2）送至系统总线的信号

• 如控制主存读/写，I/O操作，中断响应等

四、微程序控制

（一）微程序控制单元

• 微程序由许多微指令构成
• 微程序来自一条将要执行指令的操作码，用一段微程序来描述这个操作码所对应的任务（一条机器指令对应一个微程序）

 

（二）微指令的编码方式

• 包括：直接编码方式、字段直接编码方式、字段间接编码方式和混合编码方式
• 混合编码方式就是在同一系统中混合使用前3种编码方式
• 注：不论哪一种编码方式，都要留出一种状态表示不发控制信号（微命令） 

五、指令流水线

（一）流水线方式的特点

• 把一个任务（一条指令或者操作）分解成几个不同的子任务，每个子任务有专门的部件来完成，靠多个部件并行工作来缩短指令执行的时间
• 每个部件后边都有一个缓冲寄存器，叫锁存器，其作用是保存本流水段的结果，共给下一流水段用
• 流水线中各子任务的完成耗时基本相同，否则将引起堵塞和断流
• 只有连续不断的执行同一或者类型子任务时流水线才能有较好的效率
• 流水线有装入时间和排空时间，装入时间是第一个任务进入流水线到输出流水线的时间；排空时间是最后一个任务进入流水线到输出流水线的时间

 

（二）影响流水线的因素

1. 结构相关

• 多条指令在同一时刻争用同一功能部件而形成的冲突称之为结构相关

2. 数据相关

• 多条指令因重复操作，可能改变对操作数的读写访问顺序，从而导致了数据相关冲突

3. 控制相关

• 主要由转移指令引起