中央处理器（CPU）

概述

主要组成部分：

• 控制信号

• 数据通路

• 控制信号

  • 由控制器生成，负责
    • 程序控制: 程序中指令执行顺序控制
    • 操作控制: 将机器指令翻译成执行部件所需操作控制信号
    • 时序控制: 控制操作信号的产生时间、持续时间
    • 异常控制: 异常处理，外设交互
  • 控制器将机器指令译码并生成指令的执行部件所需的控制信号，控制信号按序送至各执行部件控点，引起逻辑门开闭，建立正确的数据通路，从而完成指令功能
  • 控制信号可以由软件或硬件实现（微程序控制器、硬布线控制器）

• 数据通路

  • 运算部件
  • 存储部件

CPU 中主要寄存器类型：

• PC(Program Counter)：指令计数器
• IR(Instruction Register)：指令寄存器
• AR(Address Register)：地址寄存器
• DR(Data Register)：数据缓冲寄存器
• AC(Accumulator)：累加寄存器
• PSW(Program Status Word)：程序状态字
  • EFLAGS in x86, MIPS 中无

数据通路的寄存器传输表示（RTL, Right To Left Register Transfer Level）。

• 时钟触发前输入须稳定一段建立时间（Setup Time）
• 时钟触发后输出需稳定一段保持时间（Hold Time）
• 时钟触发到输出稳定的时间触发器延迟（Clock-to-Q Delay, Clk_to_Q）

单总线 CPU 示例

• 主要部件都连接在总线上
• 各部件间通过总线传递数据和控制信号

控制信号	作用说明
$\mathrm{IR_{out}, PC_{out}, \cdots, R 1_{out}}$	控制三态门将寄存器值输出到总线
$\mathrm{IR_{in}, PC_{in}, \cdots, R 1_{in}}$	控制寄存器使能端将总线数据锁存（时钟驱动）
$\mathrm{+1, ADD, SUB}$	运算控制信号
$\mathrm{Write, Read}$	内存读写控制信号（时钟驱动）

图中 ID 即为 Instruction Decoder，指令译码器。

MIPS32 单总线 CPU

指令执行一般流程：取指令、执行指令反复循环。

• 时钟周期（节拍脉冲/震荡周期）：完成一次简单的操作的时间
• 机器周期（CPU 周期）：完成一次较为复杂的操作的时间
• 指令周期：从主存取一条指令并执行的时间

• 定长指令周期：同步控制
  • 机器周期数固定，节拍数固定，按机器周期同步， MIPS 单周期 CPU
• 变长指令周期：异步控制
  • 机器周期数可变，节拍数可变，按时钟周期同步， MIPS 多周期 CPU

指令周期数据通路原理图不记了，听天书……

中间省略较多天书

CPU 性能评价

CPI(Cycles Per Instruction) 是 CPU 性能评价的一个重要指标，它表示完成一条指令所需的时钟周期数。

对于单周期处理器，CPI = 1。

CPI 越小，CPU 性能越好。

计算机的性能除 CPI 外，还取决于时钟周期的宽度。单周期处理器的时钟宽度为最复杂指令的执行时间。

• 对于某一条特定的指令而言，其 CPI 是一个确定的值
• 对于某一个程序或一台机器而言，其 CPI 是一个平均值，表示该程序或该机器指令集中每条指令执行时平均需要多少时钟周期

两种性能评价方式：

• 执行任务需要的时间
  • 响应时间（Response Time）：从任务提交到任务完成所经历的时间
  • 执行时间（Execution Time）：CPU 执行任务所需的时间
  • 等待时间/时延（Latency）：任务在系统中等待的时间
• 一段时间内能够执行的任务数量
  • 吞吐量（Throughput）：单位时间内完成的任务数量
  • 带宽（Bandwidth）：单位时间内传输的数据量