第6章 中央处理器

CPU 是控制计算机自动完成取出指令和执行指令任务的部件，是计算机的核心，由数据通路和控制器两部分组成。

6.1 CPU 的功能和组成

CPU 的主要功能

• 取指令：从存储器中取出指令
• 译码：分析指令的操作码和地址码
• 执行：控制数据通路完成运算
• 中断处理：响应外部中断

CPU 的基本组成

CPU
├── 数据通路（Data Path）
│   ├── 通用寄存器
│   ├── 专用寄存器（PC、IR、MAR、MDR、PSW）
│   ├── 算术逻辑单元（ALU）
│   └── 数据总线
└── 控制器（Controller）
    ├── 指令部件
    ├── 时序部件
    ├── 微操作信号发生器（CU）
    └── 中断控制逻辑

6.2 CPU 中寄存器的设置

通用寄存器

• 程序员可见，用于暂存数据或地址
• 数量因 ISA 而异（RISC 通常较多）

专用寄存器

6.3 控制器的组成和功能

控制器的功能

控制器的基本组成

控制器
├── 指令部件
│   ├── 程序计数器（PC）
│   ├── 指令寄存器（IR）
│   ├── 指令译码器（ID）
│   └── 地址形成部件
├── 时序部件
│   ├── 脉冲源：产生基准时钟脉冲信号
│   ├── 启停控制逻辑：可靠地开放或封锁脉冲，保证首尾脉冲完整
│   └── 节拍信号发生器（脉冲分配器）：产生各机器周期中的节拍信号
├── 微操作信号发生器（CU）：产生微操作控制信号
└── 中断控制逻辑：控制中断处理的硬件逻辑

控制单元的输入输出

输入：时序信号 + 指令操作码译码信号 + 各部件状态反馈信号
输出：CPU 内部控制信号 + 送至主存/外设的控制信号

控制器的硬件实现方法

6.4 时序系统

时序层次

• 每个机器周期都有一个对应的周期状态触发器
• 通常以主存的工作周期（存取周期）为基础来规定 CPU 周期
• CPU 访问主存也是一次总线传送，因此也称为总线周期

节拍和工作脉冲

节拍电位和工作脉冲的配合：节拍电位是控制信号，工作脉冲是定时触发信号。

多级时序系统

• 小型计算机常用：指令周期 → 机器周期 → 节拍 → 工作脉冲（三级）
• 微型计算机常用：指令周期 → 机器周期 → 时钟周期

在只设置机器周期和时钟周期的微型机中，时钟周期既可作电位信号，其前沿/后沿又可作脉冲触发信号。

6.5 控制方式

三种控制方式

同步控制的特点：

1. 以微操作序列最长的指令为标准确定节拍数
2. 控制器产生统一的、顺序固定的、周而复始的节拍
3. 简单指令可空着部分节拍不用

异步控制的特点：

1. 每条指令需要多少节拍就产生多少节拍
2. 指令执行完毕发出回答信号
3. 控制器收到回答信号即开始执行下条指令

6.6 指令周期

方框图语言

采用方框图语言表示一条指令的指令周期：

信息传送路径

指令：     M → MDR → DBUS → IR
地址：     PC → ABUS → MAR → （取决于寻址方式）
数据：     寄存器↔寄存器：总线直接传送
           寄存器↔存储器：Ri → DBUS → MDR → M（写）
                         M → MDR → BUS → Ri（读）

双总线结构数据通路示例

数据通路结构：CPU 内部有 A 总线和 B 总线，控制信号 G 控制门电路。

ADD R2, R0 — （R0）+（R2）→ R0

PC → AR           （PC0, G, ARi）
M → DR            （R/W=R）
DR → IR           （DR0, G, IRi）
R2 → Y            （R2o, G, Yi）
R0 → X            （R0o, G, Xi）
R0 + R2 → R0      （+, G, R0i）
~                  （公操作）

SUB R1, R3 — （R3）-（R1）→ R3

PC → AR           （PC0, G, ARi）
M → DR            （R/W=R）
DR → IR           （DR0, G, IRi）
R3 → Y            （R3o, G, Yi）
R1 → X            （R1o, G, Xi）
R3 - R1 → R3      （-, G, R3i）
~                  （公操作）

6.7 微程序控制器

基本思想

将微操作控制信号按一定规则进行信息编码（代码化）形成控制字（微指令），一条机器指令对应一段微程序，存放在控制存储器中。

基本概念

机器指令与微指令的关系

微程序控制器的工作过程

1. 从控存取"取机器指令"微程序（公用，通常放 0 号单元）
2. 完成从主存读取机器指令送往 IR
3. 机器指令操作码通过微地址形成部件产生对应微程序入口地址
4. 逐条取出微指令，执行微操作
5. 执行完对应微程序后，返回到取指微程序入口

微指令的编制方法举例

十进制加法指令（BCD 码加法，加 6 修正）：

微程序流程图：

取指微程序 → R1+R2 → R2 → R2+R3 → R2 → 判断 Cy → Cy≠0 结束 / Cy=0 减 6

微地址的形成

微程序入口地址的确定

后继微地址的产生

计数器方式中微指令格式：

微操作控制字段 | BAF（转移地址字段） | BCF（转移控制字段）

BCF 编码示例：

微指令编码方式

6.8 硬布线控制器（组合逻辑控制器）

基本思想

把控制部件看作产生固定时序控制信号的组合逻辑电路，由门电路和触发器构成树形网络。

控制信号 = f(操作码， 时序节拍， 状态标志)

模型机数据通路

全机采用中线结构，分为内部单总线和存储器总线（系统总线）：

• ALU（算术逻辑部件）
• 通用寄存器组 R0~R3
• Y（ALU 输入端寄存器）
• Z（ALU 输出寄存器）
• MAR、MDR、IR、PC

设计方法

1. 绘制指令流程图
   → 按指令类型分类，将每条指令归纳为微操作序列

2. 列出微操作时间表
   → 将微操作序列安排在对应机器周期的节拍和脉冲中

3. 微操作的逻辑综合
   → 以每个微操作为单位进行"同类项合并"
   → 用逻辑关系式综合，简化

微操作逻辑表达式示例

PCOUT = T0
MARIN = T0 + T3·JZ
READ  = T0 + T3·(STR + JZ)
MDROUT = T1 + T4·(ADD + AND)
MDRIN  = T4·STR
IRIN   = T1
ADDROUT = T3·JZ + T4·Z·JZ
RIN    = T4·LD + T6·(ADD + AND)
RIOUT  = T4·STR + T5·(ADD + AND)
YIN    = T4·(ADD + AND)
WRITE  = T4·STR

硬布线 vs 微程序

6.5 流水线工作原理

基本概念

流水线是将指令执行过程分解为多个子过程，各子过程由独立的功能部件并行处理，实现指令级并行。

典型5级流水线

IF（取指）→ ID（译码）→ EX（执行）→ MEM（访存）→ WB（写回）

理想情况下，流水线每个时钟周期完成一条指令，吞吐量提高到5倍。

流水线冒险

6.6 CPU举例

RISC CPU

RISC处理器的典型特征：大量通用寄存器、固定指令长度、LOAD/STORE架构、硬布线控制、简单的寻址方式。代表：SPARC、MIPS、ARM、RISC-V。

Pentium微处理器

Intel x86架构的典型代表，采用CISC外部接口+RISC内部微操作的混合设计。指令流水线、分支预测、超标量执行等技术的综合应用。

6.7 计算机的供电

计算机系统对供电的基本要求：电压稳定、电流充足、散热良好。

• 电源：将交流电转换为稳定的直流电（±5V、±12V等），现代CPU需多路独立供电
• 散热：CPU功耗随主频提高而增加，需风冷/水冷等散热方案
• 节能：动态电压频率调整（DVFS）、休眠状态等降低功耗的技术

考试重点

★★★ 第一梯队（必考）

★★☆ 第二梯队

★★☆ 第二梯队

★☆☆ 第三梯队