计算机组成原理重要知识点摘录（考研用）——第五章：中央处理器

本文参考于《2021年计算机组成原理考研复习指导》（王道考研），《计算机组成原理》

控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、存储器地址寄存器MAR、存储器数据寄存器MDR、时序系统和微操作信号发生器等组成

一个完整的指令周期应包括取指、间址、执行和中断4个周期

中断周期中的进栈操作是将SP减1，这和传统意义上的进栈操作相反，原因是计算机的堆栈中都是向低地址增加，所以进栈操作是减1而不是加1

机器周期可看作是所有指令执行过程中的一个基准时间，机器内的各种操作大致可归属为对CPU内部的操作和对主存的操作两大类，由于CPU内部的操作速度较快，CPU访存的操作时间较长，因此通常以访问一次存储器的时间定为基准时间较为合理，这个基准时间就是机器周期。因此在存储字长等于指令字长的情况下，取指周期也可看作机器周期。

中断周期的数据流向如下：

3.执行算术或逻辑运算

执行算术或逻辑操作时，由于ALU本身是没有内部存储功能的组合电路，因此如要执行加法运算，相加的两个数必须在ALU的两个输入端同时有效。暂存器Y即用于该目的。先将一个操作数经CPU内部总线送入暂存器Y保存，Y的内容在ALU的左输入端始终有效，再将另一个操作数经总线直接送到ALU的右输入端。这样两个操作数都送入了ALU，运算结果暂存在暂存器Z中。（设置暂存器Z的原因是：ALU的输出不能直接与内部总线相连，因为其输出又会通过总线反馈到ALU的输入，影响运算的正确性）
Ad（IR）——>Bus——>MAR MDRout和MARin有效
1——>R CU发读命令
MEM——>数据线——>MDR 操作数从存储器——>数据线——>MDR
MDR——>Bus——>Y MDRout和Yin有效，操作数——>Y
（ACC）+（Y）——>Z ACCout和ALUin有效，CU向ALU发加命令，结果——>Z
Z——>ACC Zout和ACCin有效，结果——>ACC

（2）机器周期。
机器周期可视为所有指令执行过程中的一个基准时间。不同指令的操作不同，指令周期也不同。访问一次存储器的时间是固定的，因此通常以存取周期作为基准时间，即内存中读取一个指令字的最短时间作为机器周期。在存储字长等于指令字长的前提下，取指周期也可视为机器周期。

微命令有相容性和互斥性之分。相容性微指令是指那些可以同时产生、共同完成某一些微操作的微命令；而互斥性微命令是指在机器中不允许同时出现的微命令。

控制存储器（CM）用于存放微程序，在CPU内部，用ROM实现。

b.微地址寄存器CMAR：用于存放控制存储器CM的读/写微指令的地址

d.微指令寄存器CMDR或μIR：用于存放从控制存储器中读出的微指令

控制存储器中的微程序个数应为机器指令数再加上对应取指、间址和中断周期等共用的微程序数。

若指令系统中具有n种机器指令，则控制存储器中的微程序数至少是n+1（1为公共的取指微程序）

3.微指令的编码方式

微指令的编码方式又称微指令的控制方式，是指如何对微指令的控制字段进行编码，以形成控制信号。编码的目标是在保证速度的情况下，尽量缩短微指令字长。
（1）直接编码（直接控制）方式

直接编码法无须进行译码，微指令的微命令字段中每个位都代表一个微命令。设计微命令时，选用或不选用某个微命令，只要将表示该微命令的对应位设置成1或0即可。每个微命令对应并控制数据通路中的一个微操作。
这种编码的优点是简单、直观，执行速度快，操作并行性好；缺点是微指令字长过长，n个微命令就要求微指令的操作字段有n位，造成控制存储器容量极大。

（2）字段直接编码方式

将微指令的微命令字段分成若干小字段，把互斥性微命令组合在同一字段中，把相容性微命令组合在不同字段中，每个字段独立编码，每种编码代表一个微命令且各字段编码含义单独定义，与其他字段无关，这就是字段直接编码方式。
这种方式可缩短微指令字长，但因为要通过译码电路后再发出微命令，因此比直接编码方式慢。
微命令字段分段的原则：
a.互斥性微命令分在同一段内，相容性微命令分在不同段内
b.每个小段中包含的信息位不能太多，否则将增加译码线路的复杂性和译码时间
c.一般每个小段还要留出一个状态，表示本字段不发出任何微命令。因此，当某字段的长度为3位时，最多只能表示7个互斥的微命令，通常用000表示不操作。

（3）字段间接编码方式
一个字段的某些微命令需由另一个字段中的某些微命令来解释，由于不是靠字段直接译码发出的微命令，因此称为字段间接编码，又称隐式编码。这种方式可以进一步缩短微指令字长，但因削弱了微指令的并行控制能力，因此通常作为字段直接编码方式的一种辅助手段。

流水线中的相关问题是指相邻指令间存在某种关联，使指令流水线出现停顿，降低了流水线的效率。主要有数据相关和控制相关两类。

1.数据冲突（数据冒险）

在一个程序中，下一条指令会用到这一条指令计算出的结果，此时这两条指令即为数据冒险。当多条指令重叠处理时就会发生冲突，解决的办法有：
（1）把遇到数据相关的指令及其后续指令都暂停一至几个时钟周期，直到数据相关问题消失后再继续执行，这种方法称为后推法，可分为硬件阻塞（stall）和软件插入”NOP”指令两种方法
（2）设置相关专用通路，即不等前一条指令把计算结果写回寄存器组，下一条指令也不再读寄存器组，而直接把前一条指令的ALU的计算结果作为自己的输入数据开始计算过程，使本来需要暂停的操作变得可以继续执行，这称为数据旁路技术
（3）通过编译器对数据相关的指令编译优化的方法，调整指令顺序来解决数据相关。

2.控制冲突（控制冒险）

一条指令要确定下一条指令的位置，例如在执行转移、调用或返回等指令时会改变PC值，而造成断流，会引起控制冒险。控制相关主要是由转移指令引起的。解决的办法有：
（1）对转移指令进行分支预测，尽早生成转移目标地址。分支预测分为简单（静态）预测和动态预测。静态预测总是预测条件不满足，即继续执行分支指令的后续指令。动态预测根据程序执行的历史情况，进行动态预测调整，有较高的预测准确率
（2）预取转移成功和不成功两个控制流方向上的目标指令。
（3）加快和提前形成条件码
（4）提高转移方向的猜准率

1.流水线的吞吐率

在指令级流水线中，吞吐率是指在单位时间内流水线所完成的任务数量，或输出结果的数量。
TP=n/T_k
TP为流水线吞吐率，n是任务数，T_k是处理完n个任务所用的时间
下图所示为各段执行时间都相等的流水线时空图

在输入流水线中的任务连续的理想情况下，一条k段线性流水线能在k+n-1个时钟周期内完成n个任务。
流水线的实际吞吐率为：

连续输入的任务数n——>∞时，最大吞吐率为

2.流水线的加速比

完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比，称为流水线的加速比
设T₀表示不使用流水线时的执行时间，即顺序执行所用的时间；T_k表示使用流水线时的执行时间，则计算流水线加速比（S）的基本公式为：
S=T₀/T_k
若流水线各段执行的时间都相等，则对于一条k段流水线：

连续输入的任务数n——>∞时，最大加速比为

3.流水线的效率

流水线的设备利用率称为流水线的效率。在时空图上，流水线的效率定义为完成n个任务占用的时空区有效面积，与n个任务所用的时间及k个流水段所围成的时空区总面积之比。因此，流水线的效率包含了时间和空间两个因素。
n个任务占用的时空区有效面积就是顺序执行n个任务所使用的总时间T₀，而n个任务所用的时间与k个流水段所围成的时空区总面积为kT_k，其中T_k是流水线完成n个任务所使用的总时间，因此流水线效率E：

流水线的各段执行时间均相等，当连续输入的任务数n——>∞时，最大效率为E_max=1；