中央處理器
5.1 CPU的功能和組成
1.CPU的功能
控制程序按設定的方式執行的計算機部件成為中央處理器，簡稱CPU
具有一下四方面的基本功能：
a.指令控制 程序的順序控制，稱為指令控制。
b.操作控制 一條指令的功能往往是由若干個操作信號的組合實現的，CPU管理並產生由內存取出的每條指令的操作信.號，把各種信號送往相應的部件，從而控制這些部件按照指令的要求進行動作
c.時間控制 對各種操作實施時間上的定時
d.數據加工 對數據進行算術運算和邏輯運算處理（由ALU完成，算術邏輯單元）
2.CPU的基本組成
早期的CPU由運算器和控制器兩大部分組成。后來CPU的基本部分變成運算器、cache、控制器三大部分
控制器 由程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器、時序產生器 和 操作控制器（OC） 組成，主要功能有：
（1）從指令cache中取出一條指令，並指出下一條指令在指令cache中的位置
（2）對指令進行譯碼和測試，並產生相應的操作控制信號
（3）指揮並控制CPU、數據cache和輸入/輸出設備之間數據流動的方向
運算器 由算術邏輯單元（ALU）、通用寄存器、數據緩沖寄存器（DR）和狀態條件寄存器（PSW）組成。運算器接受控制器的命令而進行動作，是執行部件。主要有兩個功能：
（1）執行所有的算術運算
（2）執行所有的邏輯運算
3.CPU中的主要寄存器
CPU中至少有六類寄存器：指令寄存器（IR）、程序計數器（PC）、數據地址寄存器（AR）、緩沖寄存器（DR）、通用寄存器、狀態字寄存器（PSW）
（1）DR 暫時存放CPU與外界傳送的數據，可以是指令字或者數據字，作用是 1）作為ALU運算結果和通用寄存器之間信息傳送時間上的緩沖 2）補償CPU和內存、外圍設備之間在操作速度上的差別
（2）IR 用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從指令cache存儲器（指存）中讀出，然后再傳送至IR 。指令划分為操作碼和地址碼字段；一個叫指令譯碼器 的部件可以譯碼，然后向操作控制器發出具體操作的特定信號。IR 中的操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入
（3）PC 兩種情況：順序執行--> pc+1->pc ； 轉移執行-->JMP 指令
（4）AR 主要用於解決主存/外設和CPU之間的速度差異。使地址信息可以保持到主存/外設的讀寫操作完成為止
（5）通用寄存器 當ALU執行運算時，為ALU提供一個工作區。例如，執行一次加法運算，選擇兩個操作數相加（假設存放在通用寄存器R0，R1），放到其中一個寄存器中（如R1）
（6）PSW 保存由ALU運算或測試結果的各種條件代碼。如運算結果進位標志（C）、運算結果溢出標志（V）等等
4.操作控制器與時序產生器
寄存器之間傳送信息的通路，稱為數據通路 。操作控制器的部件需要完成的任務就是，在各寄存器之間建立數據通路。根據指令譯碼器傳過來的指令操作碼和時序信號，產生各種操作控制信號，然后正確的選擇數據通路，將有關數據打入到一個寄存器，從而完成取指令和執行指令的控制。
5.2 指令周期
1.指令周期基本概念 取出一條指令並執行這條指令總共需要的時間。指令周期通常由若干個CPU周期（又稱機器周期或者時鍾周期）數來表示。取指階段需要一個CPU周期時間
2.MOV指令的指令周期，MOV R0,R1 RR型指令，需要兩個CPU周期，取指周期需要一個，執行周期需要一個。
取指周期中CPU完成三件事：從指存中取出指令；對PC加1；將指令操作碼輸出到指令譯碼器進行譯碼或測試，以便進一步確定進行什么操作。
取指周期：
（1）PC-->AR
（2）M-->DR
（3）DR-->IR
（4）PC + 1--> PC
（5）指令寄存器中的操作碼（OP）傳入指令譯碼器譯碼
（6）CPU識別出MOV指令，取指周期結束
執行周期：
（1）OC送出控制信號到通用寄存器，選擇R1（10）作為源寄存器，選擇R0作目標寄存器
（2）OC送出控制信號到ALU，指定ALU做傳送操作
（3）OC送出控制信號，打開ALU輸出三態門，將ALU輸出送到數據總線DBUS上，注意：任何時候DBUS上只能有一個數據
（4）OC送出控制信號，將DR中的數據10打入到目標寄存器R0，R0的內容由00變成10
3.LAD指令的指令周期，LAD R1,6 RS型指令。先從指令寄存器（IR）取指，然后從數據存儲器6號單元取出數據裝入通用寄存器R1。由於一次訪問指存，一次訪問數存，需要3個CPU周期
取指周期：同上
執行周期：
（1）OC發出控制命令打開IR輸出三態門，將指令中的直接地址碼6放到數據總線DBUS
（2）OC發出操作命令，將地址碼6裝入數存地址寄存器AR
（3）OC發出讀命令，將數存6號單元中的數100讀入DBUS
（4）OC發出命令，將DBUS上的數據100裝入DR
（5）OC發出命令，將DR中的數據100裝入R1，LAD指令執行周期結束
4.ADD指令的指令周期，ADD R1，R2 RR型指令，取指訪問、執行周期，一共需要兩個CPU周期
取指周期：同上
執行周期：
（1）OC送出控制命令到通用寄存器，選擇R1做源寄存器，R2做目標寄存器
（2）OC送出控制命令到ALU，指定ALU做R1和R2的加法操作
（3）OC送出控制命令，打開ALU輸出三態門，運算結果放到DBUS上
（4）OC送出控制命令，將DBUS上數據打入DR；ALU產生的進位信號保存到PSW中
（5）OC送出控制命令，將DR裝入R2，至此ADD指令執行周期結束
5.STO指令的指令周期，STO R2,(R3) RS型指令，先訪問指存取出STO指令，然后按(R3)=30地址訪問數存（訪問30號地址單元），將(R2)=120寫入到30號地址單元。一次訪問指存，一次訪問數存，所以需要3個CPU周期
取指周期：同上
執行周期：
（1）OC送出操作命令到通用寄存器，選擇(R3)=30做數據存儲器的地址單元
（2）OC送出操作命令，打開通用寄存器輸出三態門，將30放到DBUS上
（3）OC發出操作命令，將地址30打入AR，並進行數存地址譯碼，地址30是從DBUS上得到（這里就是訪問數存）
（4）OC發出操作命令到通用寄存器，選擇(R2)=120，作為數存的寫入數據
（5）OC發出操作命令，打開通用寄存器輸出三態門，將數據120放到DBUS上
（6）OC發出操作命令，將數據120寫入數存30號單元。STO指令執行周期結束
6.JMP指令的指令周期，JMP 101 JMP是一條無條件轉移指令，用來改變程序的執行順序。指令周期為2個CPU周期，取指是一個CPU周期，執行周期是一個CPU周期
取指周期：同上
執行周期：
（1）OC發出操作控制指令，打開IR輸出三態門，將IR中的地址碼101發送到DBUS上
（2）OC發出操作控制指令，將DBUS上的地址碼101打入到程序計數器PC中。JMP指令執行周期結束
7.用方框圖語言表示指令周期
一個方框表示一個CPU周期，方框中內容表示數據通路的操作或者某種控制操作。一個菱形通常表示某種判別或者測試，不單獨占用一個CPU周期
5.4微程序控制器
利用軟件方法設計硬件的一門技術。
把操作控制信號，編成所謂的“微指令”，存放到一個只讀存儲器里。機器運行時，一條條讀出這些微指令，從而產生全機所需要的各種操作控制信號，是相應部件執行所規定的操作
1.微命令和微操作
一台數字計算機基本可以划分為兩部分——控制部件和執行部件。
控制部件，向執行部件發出控制信息；
執行部件，向控制部件返回狀態信息。
控制部件和執行部件的一種聯系，就是通過控制線。控制部件通過控制線向執行部件發出各種控制命令，通常這種控制命令就稱作微命令；執行部件接收微命令后進行的操作，叫做微操做。
另一種聯系是反饋信息，執行部件通過控制線向控制部件反映操作情況，也叫做“狀態測試”。
微操作分為相容性和相斥性；相容性的微操做指可以在同時或同一個CPU周期內並行執行的微操做。例如ALU的+，-就是相斥性操作，ADD R1,R2，獲取R1,R2就是相容性微操做。
2.微指令和微程序
在機器的一個CPU周期內，一組實現一定操作功能的微命令的組合是微指令。
微指令一般由操作控制和順序控制兩部分組成。
（1）操作控制部分用來發出控制信號，每一位都表示一個微指令，位信息為“1”表示發出微指令，“0”表示不發出。
（2）順序控制部分用來決定產生下一條微指令的地址
微程序就是微指令構成的序列，每條機器指令都對應着一段微程序
3.微程序控制器原理
由控制存儲器、微指令寄存器和地址轉移邏輯三大部分組成。微指令寄存器分為微地址寄存器和微命令寄存器
（1）控制存儲器：存放實現全部指令系統的微程序，只讀。要求速度快，讀出周期短
（2）微指令寄存器：微命令寄存器存放控制存儲器讀出的一條微指令信息。微地址寄存器決定下一條微指令的地址
（3）地址轉移邏輯：用於跳躍尋址微指令時，承擔自動完成修改微地址的任務
4.微程序實例
見書 P 159-160
5.CPU周期與微指令周期的關系
串行方式的微程序控制器中，一個微指令周期等於一個CPU周期
6.機器指令與微指令的關系
（1）一條機器指令對應一個微程序，這個微程序是由若干微指令序列組成。
（2）指令與微指令、程序與微程序、地址與微地址一一對應。前者都是與內存儲器有關，后者與控制存儲器有關。
（3）一個CPU周期對應一條微指令
7.微程序設計技術
微指令編碼
對微指令中的操作控制字段采用的表示方法
（1）直接表示法：操作字段中的每一位代表一個微指令。優點是簡單直觀；缺點是微指令字較長，因而使控制存儲器容量較大
（2）編碼表示法：把一組相斥性微指令信號組成一個字段，然后通過字段譯碼器對每一個微指令信號進行譯碼，譯碼輸出作為操作控制信號。優點是，采用較小的二進制信息表示較多的微命令信號，縮短微指令字長度；缺點是減緩微指令執行速度
（3）混合表示法：（1）（2）混合使用
微地址形成方法
微指令執行的順序控制問題，是如何確定下一條微指令的地址問題，一般有兩種產生后繼地址的方法：
（1）計數器方式：同用程序計數器來產生機器指令地址的方法相似
（2）多路轉移方式：一條微指令具有多個轉移分支的能力稱為多路轉移。當微程序不產生分支時，后繼微地址直接由微指令的順序控制字段給出；當微程序出現分支時，有若干后繼微地址可供選擇：即按順序控制字段的“判別測試”標志和“狀態條件”信息來選擇其中一個微地址。
微指令格式
分為水平型微指令和垂直型微指令
（1）水平型微指令：一次能定義並執行多個並行操作微命令的微指令，一般格式：控制字段、判別測試字段、下地址字段
（2）垂直型微指令：微指令中設置微操作碼字段，采用微操作碼編譯法，由微操作碼規定微指令的功能。垂直型微指令的結構類似與機器指令的結構，它有操作碼。書P 164
5.5硬連線控制器
暫略
5.6流水線CPU
暫略
5.7 RISC CPU
基本特點：
（1）使用等長指令，目前典型長度為4B
（2）尋址方式少且簡單，絕不出現存儲器間接尋址方式
（3）只有取數指令、存數指令訪問存儲器。最多出現RS型指令，不會出現SS型指令
（4）指令集中的指令數目一般少於100，指令格式一般少於4種
（5）指令功能簡單，控制器多采用硬布線方式
（6）平均而言，所有指令的執行時間為一個處理時鍾周期
（7）指令格式中，用於指派整數寄存器的個數不少於32個，用於指派浮點數寄存器的個數不少於16個
（8）強調通用寄存器資源的優化使用
（9）支持指令流水並強調指令流水的優化使用
（10）RISC技術的復雜性在於它的編譯程序，因此軟件系統開發時間比CISC機器長