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CPU的组成原理和构成

发布时间:2019-03-29 10:20

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  一旦把程序装入内存存储器,就可以由计算机来自动完成取出指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理器,通常简称CPU。

  (1)指令控制 程序的顺序控制,称为指令系统。由于程序是一个指令序列,这些指令的相互顺序不能任意颠倒,必有须严格按控制规定的顺序进行,因此,保证机器按顺序执行是CPU的基本任务。

  (2)操作控制 一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的,因此,CPU管理并产生内存取出的每条指令的操作信号,把各种信号送往相应的部件,从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

  (3)时间控制 对各种操作实施时间上的定时,称为时间控制。因为在计算机中,各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面,一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样,计算机才能有条不紊地自动工作。

  (4)数据格式 所谓数据加工,就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理,是CPU的基本任务。因为,原始信息只有加工处理后才能对人们有用。

  传统的CPU由运算器和控制器两大部分组成。但随着技术进步,现在CPU的基本部分变成了运算器、cache和控制器三大部分。

  (1)控制器 由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成,它是发布命令的“决策机构”,即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器的主要功能有:内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置;对指令进行译码或测试,并产生相应的操作控制信号,以便启动规定的动作;指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间的数据流动方向。

  (2)运算器 由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲控制器和状态条件寄存器组成,它是数据加工处理的部件。相对于控制器而言,运算器接受控制器的命令而进行动作,即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出信号来指挥的,所以它是执行部件。运算器械有两个功能:执行所有的算术运算;执行所有的逻辑运算,并进行逻辑测试,如零测试值或两个值的比较。通常,一个算术操作产生一个运算结果,而一个逻辑操作则产生一个判决。

  微程序设计技术是利用软件方法设计操作控制器的一门技术,具有规范性、灵活性、可维护性等一系列优点,因而在计算机设计中得到了广泛应用,并取代了早期的硬布线技术。但随着VISI技术的发展和对机器速度的要求,硬布线逻辑思想又得到了重视。硬布线控制器的基本思想:某一微操作控制信号是指令操作码译码输出、时序信号和状态条件信号的逻辑函数,即用布尔代数写出逻辑表达式,然后用门电路、触发器等器件实现。

  CPU每取出并执行一条指令,都要完成一系列的操作,这一系列操作所需的时间通常叫做一个指令周期。更简单地说,指令周期是取出并执行一条指令的时间。由于各种指令的操作功能不同,有的简单,有的复杂,因此各种指令的指令周期是尽相同的。例如,一条访问指令的指令周期,同一条非访问指令的指令周期是不相同。

  指令周期常常用若干个CPU周期数来表示,CPU周期也称为机器周期。由于CPU内部的操作速度较快,而CPU访问一次内存所花的时间较长,因此通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。这就是说,一条指令的取出阶段(通常称为取指)需要一个CPU周期。而一个CPU周期时间又包含有若干时钟周期(通常称为节拍脉冲或T周期,它是处理操作的最基本单位。)

  流水CPU是以时间并行为原理构造的处理器,这是一种非常经济而实用的并行技术。目前高性能处理器几乎无一例外地使用了流水技术。流水技术主要的问题是资源相关、数据相关和控制相关,为此采用相应的技术对策。才能保证流水线畅通而不断流。

  现代流水计算机,其中CPU按流水线方式组织,通常由三大部分组成:指令部件、指令队列、执行部件。这三个功能部件可以组成一个3流水线。

  指令部件本身又构成一个流水线,即指指令流水线,它由取指令、指令译码、计算机操作数地址、取操作数等几个过程段组成。

  指令队列是一个先进先出(FIFO)的寄存器栈,用于存放经过译码的指令和取来的操作数。它也是由若干个过程组成的流水线。

  执行部件可以具有多少个算术逻辑运算部件,这些部件本身又用流水线方式构成。

  为了使用储存器的存取时间能与流水线的其他各过程段的速度匹配,一般配采用多体交差存储器。

  指令流水线 指指令步骤的并行。将指令流的处理过程分为取指令、译码、取操作数、执行、写回等几个并行处理的过程段。目前,几乎所有的高性能计算机都采用了指令流水线。

  算术流水线 指运算操作步骤并行。如流水加法器、流水乘法器、流水除法器等。

  RISC CPU是继承CISC的成功技术,并在克服CISC机器缺点的基础上发展起来 的。RISC机器的三个基本要素:(1)一个有限的简单指令集;(2)CPU配备大量的能用寄存器;(3)强调指令流水线的优化。注意,RISC机器一定是流水CPU,但是流水CPU不一定是RISC机器。

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