第六章：中央处理器

第六章：中央处理器

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数电基础

组合逻辑电路在任何时刻的输出信号的稳定值，仅仅与该时刻的输入信号有关，而与该时刻以前的输入信号无关。

但时序电路的输出不仅取决于当前的输入，还取决于电路原来的状态。

CPU是边沿反应的，这是为了阻止输出信号震荡的问题。

中央从处理器

CPU由数据通路和控制单元组成。

CPU内部集成了一根内部总线，但是存在信号碰撞的问题，也就是在同一时刻只能传输一个数据。

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元件是否进入总线是由三态门把关的，三态门接收到使能信号就允许通过，反之成立，每个三态门都与控制单元连接。控制单元还通过使能信号端来控制每个元件。

数据通路指的是：指令执行过程中数据经过的路径，包括路径上的部件，称为数据通路。

控制单元根据每条指令的功能不同生成对数据通路的控制信号，并正确控制指令的执行流程。

取指阶段

需要执行的指令存在主存中，那么将指令cong主存读取到CPU的过程就是取指阶段。

取指阶段由六个微操作组成。

第一步，CU向pc和mar发送信号，PC的主存地址会通过总线传输到MAR中，MAR将通过总线送到主存中

第二步：CU向主存发送信号

第三步：主存返回指令存放到MDR

第四步：向IR和MDR发送信号，将 MDR发送到IR

第五步：将IR发送到CU进行译码分析

第六步：译码分析并执行完毕后，CU向pC发送信号使PC自增1

为了加速单次取指的时间，我们需要注意：部分微操作的次序不可改变。

被控制对象不同的微操作应尽可能放在同一个时钟周期节省时间。

占用时间不长的微操作应该安排到同一个时钟周期内完成，允许其有不同的次序

注意看，第一步和第二步的被操作对象不同，那么我们就能够将他们放在同一个时钟周期内

第三第四第五步有先后顺序，不能改变。

但是第六步自增可以和第三步安排在同一时钟周期。

只要这两个微操作不冲突（不使用同一总线或功能部件），就能够放到同一周期以优化性能。

所以，加速后的操作次序就是

T1:PC -> MAR,CU->Read

T2:M[MAR]->MDR,PC++

T3:MDR->IR,OP[IR]->CU

执行一次取指需要三个时钟周期，

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执行阶段

假设这是一个CPU的指令集：

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第一条是将制定主存地址的数据加载到寄存器R0中。

执行起来有三步。

T1:Ad[IR]->MAR,1->Read 将IR中的地址经过MAR发送到主存，CU发送控制读信号。

T2:M[MAR]->MDR 将主存中对应地址的数据取出到MDR

T3:MDR->R0 将MDR的数据存入到寄存器R0中。

再比如，倒数第三条指令，是将R1和R0做加法存到R1

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T1:R1->Y将R1的 值赋给Y

T2:[R0]+[Y]->Z 这一步需要CU发送00指令

T3:Z->R1

这三部用的都是同一个对象，不可再做任何优化

再看JUMP无条件跳转指令

这个很简单了，就是

T1:Ad[IR]->PC

指令周期：取出并执行一条指令所需的全部时间

指令周期可以看作是取指周期（Fetch）和执行周期（STORE）组成

取指周期完成取指令和分析指令的操作

执行周期是完成执行指令的操作

控制单元是如何实现的

控制单元的职能是译码分析，执行指令，发送控制信号等

组合逻辑控制单元

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使用门电路实现，又名硬部件控制单元，适用于早期计算机。

其执行速度非常快，原子速度接近光速，但是结果复杂，实现困难，不容易扩充和修改指令，可塑性非常差只适合RISC指令系统，但在追求极致速度的场景下也会使用。

微程序控制单元

微程序控制采用”存储器替代逻辑”的思想，将机器指令的执行转化为微程序的执行。

微程序是一个微指令，一条伪指令包括若干微命令，一条机器指令功能由一个微程序完成。

你记不记得我们说过，CU能够给每个元件发送控制信号？

那么请回忆计网那本书的内容。CU能够将对所有的元件发送的信号组合成一个长二进制（也就是一条微指令），每一位都对应不同的元件，随后将该二进制在一个时钟周期内广播，就完成了发送控制信号的工作。

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那么取指阶段的三个微操作就对应了CU发送的三条微指令，执行ADD命令也是如此。

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这六个微指令合在一起就是微程序，一个微程序就完成一条机器指令的功能，因为取指是公共操作，所以我们会将取指的三个微指令作为一个独立的微程序。

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这些微程序存放在CU的控制存储器(Control Storage)当中，是一块只读ROM芯片，简称CS。每一条微指令都有对应的微地址。

还有一个起始和转移地址发生器，能够生成下一条微指令的微地址，并存入uPC中（与CPU中的PC功能类似）。指令寄存器uIR会根据uPC的地址获取对应的微指令，控制单元开始译码uIR中的指令并对相应的元件发出相应的控制信号到数据通路中，最后在时钟信号的控制下uPC自动加1.

微程序控制单元中的转移控制模块能够洁厕出下一条指令的微地址

下一条指令地址的决策

执行完一条指令后，下一条指令地址有三种方法得到：机器指令操作码，uPC++，控制转移字段。

CS中，每个指令末尾都带两位二进制作为控制转移字段。控制转移字段能决定下一条指令的地址选取，就是图中的MUX多路选择器的输入。

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这种三合一的计数方法，因为大多数是时候都是程序顺序执行，所以在大部分时间都是uPComing增量+1操作，所以我们称其为“增量计数法”，这样的计数法要求微指令必须是顺序存放的。

针对不是顺序存放的我们使用“断定法“。

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下址就是下一条指令的微地址。

这样虽然空间利用率低，但是确实能够解决非顺序存放的问题。

微命令编码问题

比如这个过程：

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这么长一个微指令只有三个1信号，这就显得空间利用率低。另外，因为1->Read，PC->MAR，MDR->IR都需要占用总线，这意味着他们是互斥微命令，不能同时执行。这意味着所有相同后缀的互斥信号都因为互斥能够统一管理和编码。

所以，我们可以将相容的输出信号放到一起，统一编码来优化空间利用率。

image-20260103162448299这样空间利用率就得到极大优化，这样的编码法叫做字段编码法