计算机硬件技术基础 谢长生 第02章

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1、第2章微处理器微处理器也称中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）。它是由控制单元（ControlUnit）、算术／逻辑运算单元（ArithmeticLogicUnit，ALU）和存储单元（MemoryUnit，包括寄存器和高速缓存）三大部分组成的。三部分通过互连机构的连接，互相配合，共同完成对指令信息和数据信息的分析、判断、运算，从而控制计算机各部件协调工作。2.1微处理器结构2.1.1微处理器组织微处理器是微型计算机的核心，具有运算能力和控制功能，它的任务是执行指令。不同的CPU，其性能指标也各不

2、相同，但它们具有共同的特点和相似的功能。CPU具有指令控制、操作控制、时间控制和数据处理4个方面的功能。所谓指令控制，就是指计算机严格按照程序的顺序执行。一条指令往往是由若干个微操作信号的组合来实现的，CPU从内存取出指令，译码后产生微操作信号，然后把各种微操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求开始动作，这就是操作控制功能。2.1.2算逻单元（ALU）算逻单元全称为算术/逻辑运算单元。主要用来完成算术运算和逻辑运算。在实现时，一般采用全加器和先行进位逻辑电路进行组合，从而能实现高速运算功能。一位全加器（FA）的

3、逻辑表达式为：Fi=AiBiCiCi+1=AiBi（AiBi）Ci图2.1CPU主要组成部分逻辑框图图2.2一位全加器逻辑符号上述全加器只能实现算术运算，为了使它具有逻辑运算功能，必须对其功能进行扩展。扩展时通过增加一个函数发生器，在4个控制开关S0、S1、S2、S3的控制下，使Ai、Bi经函数发生器产生新的组合函数Xi、Yi，然后再将Xi、Yi和进位Ci通过全加器进行全加。这样，不同的控制开关组合，就可以得到不同的组合函数，从而能够实现多种算术和逻辑运算，如图2.3所示。ALU的逻辑符号如图2.4所示。图2.3AL

4、U逻辑结构框图图2.4ALU的逻辑符号2.1.3寄存器组织1．用户可见寄存器用户可见寄存器，就是指用户使用机器语言、汇编语言或其他高级语言可以直接访问和控制的寄存器。2．对用户透明寄存器这类寄存器对用户来说是不可见的。它是在操作系统的作用下，在CPU中起着控制计算机操作的作用。对用户透明寄存器至少包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）等。3．状态寄存器状态寄存器由一个或一组寄存器构成。用来保存由算术指令和逻辑指令运行或测试后的结果、建立的各种条件码内容以及系统中断和系统工作状态等信息。2.1.4定点与浮点部件计算机中常用

5、的数据表示格式有两种，一是定点格式，二是浮点格式。1．定点数部件定点数是小数点位置固定不变的数。由于小数点位置固定，小数点就不再使用记号“·”来表示。我们通常将定点数分为定点小数和定点整数。图2.5双总线结构的定点运算器2．浮点部件浮点数的小数点位置不固定，在表示一个浮点数N时，一般记为N=RE×M的形式。其中M称为浮点数的尾数，是一个纯小数，E为阶码，是一个纯整数，基数R可取2、8或16，一般取2。为了在机器中表示一个浮点数，通常要将寄存器分成两部分，一部分存放阶码E，另一部分存放尾数M。图2.6浮点运算器的一般结构图2.

6、1.5指令流水线指令流水线（InstructionsPipeline）是一种能够供多条指令重叠操作的处理器技术，是现代处理器设计中最为关键的技术之一。1．流水线的一些基本概念（1）指令流水线周期，是指驱动流水线操作的时钟周期。通常它等于在流水线中完成单级操作所需要的最大时延，有时也称处理器周期。（2）指令发射时延，指发射两条相邻指令间的处理器周期数。（3）CPI（CyclesPerInstruction），每条指令经过整个流水线所需周期数，它与各指令有关，不同的指令，CPI也不相同。因此，一般使用平均CPI表示。（4）指令级

7、并行度ILP（InstructionLevelParallelism），是指当指令流水线被充分利用时，一个基本周期内并行执行的指令数。这里的基本周期等效于常规的标量流水机的时钟周期。（5）指令发射速率，指在每个周期内发射的指令数，也称为超标量处理机的级数。2．指令流水线的基本原理流水线处理机把一条指令的执行分成K个步骤，或称级（Stages）。每一级能够在一个时钟周期内完成。在每个时钟周期里，处理机启动并执行一条指令。也就是说处理机的流水线共有K级，同时可重叠执行的指令总条数为K，并且，每条指令处在不同的执行阶段。而这种级的

8、划分是和指令相应的执行部件有关，它必须保证在不同的执行时间内，操作所占用的部件是不相同的，这样才不会出现资源竞争的现象，才能保证流水线的正常运行。例如，一条典型指令的执行划分为4个步骤：（1）取指令（InstructionFetch）阶段，用IF表示。它是指将一条指令读到指令缓冲器的过程；