8.1CPU概述

1.CPU的基本功能

2.CPU的基本组成

• 数据通路—指令的执行部件
  • 操作元件（ALU）
  • 存储元件—寄存器
• 控制器—指令的控制部件
  • 译码部件
  • 控制信号生成部件
  • 存储元件—寄存器

数据通路

• 两类元件组成
  • 组合逻辑元件
  • 时序逻辑元件
• 元件间的连接方式
  • 总线连接方式
  • 分散连接方式
• 具体工作
  • 进行数据存储、处理、传送

操作元件：组合逻辑电路

• 加法器
• 多路选择器
• 算逻部件（ALU）
• 译码器

状态元件：时序逻辑电路

• 特点

  • 具有存储功能，在时钟控制下输入被写到电路中，直到下个时钟到达
  • 输入端状态由时钟决定何时被写入，输出端状态随时可以读出

• 定时方式

  • 边沿触发

• 最简单的状态单元

  • D触发器

• 存储元件

  • 寄存器

  • 寄存器组

  • 理想存储器

    • Data Out：32位读出数据
    • Data In：32位写入数据
    • Address：读写公用一个32位地址

    

    • 读操作（组合逻辑操作）
    • 写操作（时序逻辑操作）

3.数据通路与时序控制

• 同步系统

  • 所有动作有专门时序信号来定时
  • 有时序信号规定何时发出什么动作

• 时序信号

  • 用于进行同步控制的定时信号——时钟信号

• 指令周期

  • CPU取并执行一条指令的时间
  • 每条指令的指令周期不一样

4.计算机性能与CPU时间

• 计算机有两种不同的性能
  • Time to do the task
    • 响应时间
    • 执行时间
    • 等待时间或时延
  • Tasks per day, hour, esc, ns.…
    • 吞吐率
    • 带宽
• CPU性能：用户CPU时间（执行用户程序中各条指令的总时间）
  • CPU执行时间 = CPU时钟周期数 / 程序 ÷ 时钟频率
    = CPU时钟周期数 / 程序 × 时钟周期
    = 指令条数 / 程序 × CPI × 时钟周期 （Cycles Per Instruction）
  • 对某一条特定的指令，CPI是一个确定值——与CPU设计有关
  • MIPS（定点指令执行速度）
  • FLOPS