CPU的功能：
取指令：控制器必须具备自动从储存器中取出指令的功能。控制器能自动形成指令的地址，并能发出取指令的命令，将对应地址的指令取到控制器中。第一条指令地址可以人为指定，也可以系统指定。

分析指令：1，分析要完成什么操作，2，操作数的有效地址

执行指令：根据要求完成操作控制信号序列。

除此之外，控制器还能够控制IO，总线管理，处理中断。

CPU的寄存器

1，用户可见寄存器
1）通用寄存器：可存放操作数，寻址方式所需的寄存器，存放有效地址的地址。
2）数据寄存器：存放操作数
3）地址寄存器：存放地址，也可以用于特殊寻址方式。
4）条件码寄存器：存放条件码，可以由CPU自动完成，也可以由程序员保存。

2，控制和状态寄存器
MAR：储存器地址寄存器，存放被访问的储存单元的地址
MDR：存储器数据寄存器，存放存入在储存器的数据或读出存储器中的数据。
PC：程序计数器，存放现行指令的地址。
IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令。

通过这四个寄存器，CPU和贮存交换信息。

控制单元和中断系统
现代计算机微操作命令序列的形成方法：1组合逻辑设计方法，硬连线逻辑2，微程序设计方法，为储存逻辑。

指令周期：CPU每取出执行一条指令所需的全部时间称为指令周期，也即CPU完成一条指令的时间。CPU按照取指-执行-再执行的顺序工作。每种指令的指令周期不同。如果有间址寻址的指令，还需要有间址周期。这样间址寻址的指令周期包括，取指周期，间址周期，执行周期。由于CPU有时还需要进行处理中断，所有一个完整的周期应该包括，取值，间指，执行，中断。

指令周期的数据流

1，取值周期数据流

PC中存放现行指令的地址，该地址送到MAR并送至地址总线，然后由控制部件CU向储存器发读命令，使对应MAR所指单元的内容经数据总线送至MDR，再送至IR，并且CU控制PC内容+1，形成下一条指令。

2，间址周期的数据流

一旦取址周期结束，CU检查IR中的内容，确定其是否有间址操作，如果需要间址，则MDR中指示形式地址的右N位将被送到MAR，又送地址总线，然后CU向储存器发送命令，获取有效地址并存至MDR。

3，执行周期的数据流
不同指令的数据流不一样。

4，中断周期的数据流
PC内容应该先保存起来，执行完中断进行返回。


 

由CU把用于保存程序断点的储存器特殊地址送往MAR，并送到地址总线上，由CU向储存器发送写命令，把PC内容送入MDR，最终使程序断点经数据总线存入储存器。CU还需要把中断服务程序的入口送至PC，为下一个指令周期的取值周期做好准备。

指令流水

指令流水不能加倍效率的原因：
1，指令的执行时间一般大于取指时间，因此取指阶段可能要等待一段时间，也就是放在指令部件缓冲区的指令不能立即传给执行部件，缓冲区不能空出。
2，遇到条件指令时，下一条指令未知。等执行结束后才能获得条件，从而决定下条的地址。

通常采用猜测法：当条件转移指令从取指阶段进入执行阶段，指令部件仍按照顺序取下一条指令。如果不成立，转移没发生，没时间损失。如果成立，转移发生，丢弃掉所取的，重新取。

指令处理过程细分：
1，取指FI，从储存器取指令到指令部件缓冲区。
2，指令译码DI，确定操作性质等。
3，计算机操作数地址CO
4，取操作数CO
5，执行指令EI
6，写操作数WO

对流水线工作的影响原因

1，结构相关
不同指令争用同一个功能部件产生资源冲突。

还有一种解决方法是设置两个独立的储存器存放操作数和指令。还可以采用指令预取技术，实现执行K，分析K+1。

2，数据相关
流水线中的各条指令因重叠操作，可能改变对操作数的读写访问顺序，从而导致数据相关冲突。

ADD R2+R3->R1
SUB R1-R5->R4

发生了先写后读
解决这个数据相关的方法可以采用后推法，即遇到数据相关时，就停顿后继指令的运行，直至前面指令的结果已经生成。
另一种解决方法是采用定向技术。在产生的结果时，设置专用通路技术，将产生的结果直接送入所需它的SUB等指令，可以使流水线不发生停顿。

数据相关分类：
写后读：在写入寄存器前就写入内容
读后写：在读前就写入
写后写：在写之前写

在按序流动的流水线中，只可能出现RAW。如果非按序流动可以发生，RAW，WAR，WAW。


控制相关
主要是由转移指令引起的。

解决控制相关，采用尽早判别转移是否发生，尽早生成转移目标地址，预取转移成功，活不成功两个控制流方向上的目标指令。加快和提前形成条件码，提高转移方向的猜准率。

流水线性能

1，吞吐率
单位时间内流水线所完成的指令或结果数量。
最大吞吐率是流水线在连续流动达到稳定状态后所得的吞吐率。因为流水线开始时有一段建立时间，结束时有一段排空时间，实际吞吐率小于最大吞吐率。

每段时间为t,最大吞吐率为1/t

2,加速比
流水线的加速比是指M段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比。
Sp=m/(1+(m-1)/n)

Tip:非流水三角形和矩形的面积比

3，效率
流水线中各功能段的利用率。因为流水线有建立时间和排空时间，因此总有一段空闲时间。

TIP：矩形的占长方形的面积。


多发技术

超标量，超流水线，超长指令字


1，超标量，每个时钟周期同时可以并发多条独立指令。
要实现，要求处理机配置多个功能部件和指令译码电路。以及多个寄存器端口和总线。存在数据相关不能进行指令并行。
2，超流水线，将一些流水寄存器插入流水线段中，好比将流水线段再分段。硬件不能调整指令的执行顺序。

3，超长指令字，和超标量一样，都是在多个部件中并行处理的体系。VLIW较超标量更高的并行处理能力，对优化编译器要求高，对Cache容量要求大。

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