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[特殊字符]《计算机组成原理》第 8 章 - CPU 的结构和功能

news 2025/5/29 11:23:06

🔵8.1 CPU 的结构

🔵8.1.1 CPU 的功能

CPU（中央处理器）是计算机的核心部件，主要负责以下任务：

指令执行：解析并执行指令集架构（ISA）定义的指令
数据处理：完成算术运算（如加减乘除）和逻辑运算（如与或非）
存储控制：管理内存访问（读取 / 写入数据）
输入输出控制：协调 CPU 与外部设备的数据传输
中断处理：响应外部设备的异步请求

案例：简单算术运算实现

// 模拟CPU执行加法运算
public class SimpleCPU {// 通用寄存器private int accumulator; // 累加器private int registerB;   // 通用寄存器B// 执行加法指令public void addInstruction(int operand) {// 模拟取操作数到寄存器BregisterB = operand;// 执行加法运算（累加器 + 寄存器B）accumulator += registerB;System.out.println("加法结果：" + accumulator);}public static void main(String[] args) {SimpleCPU cpu = new SimpleCPU();cpu.addInstruction(5); // 初始累加器为0，执行0+5=5cpu.addInstruction(3); // 执行5+3=8}
}

🔵8.1.2 CPU 结构框图

图注：控制单元协调各部件工作，ALU 负责运算，寄存器组存储数据和地址

🔵8.1.3 CPU 的寄存器

分类及功能

寄存器类型	典型寄存器	功能描述
程序控制类	程序计数器 PC	存储下一条指令的内存地址
	指令寄存器 IR	存储当前正在执行的指令
数据存储类	累加器 ACC	存放运算结果和待运算数据
	通用寄存器 GR	临时存储数据（如 AX/BX/CX/DX 等）
状态控制类	状态寄存器 PSW	存储运算状态标志（如进位 / 溢出）

代码示例：寄存器操作模拟

// 模拟寄存器组操作
public class RegisterDemo {private int pc;       // 程序计数器private int ir;       // 指令寄存器private int acc;      // 累加器private int psw;      // 状态寄存器（二进制位表示状态）// 模拟取指令操作public void fetchInstruction(int address) {pc = address;          // 设置PC到目标地址ir = loadFromMemory(pc);// 从内存模拟函数获取指令System.out.println("取指令：IR=" + ir);}private int loadFromMemory(int addr) {// 简化模拟：返回固定指令（假设0x1234为加法指令）return 0x1234;}
}

🔵8.1.4 控制单元和中断系统

控制单元功能

生成时序信号：控制指令执行的时序（时钟周期）
指令译码：解析 IR 中的指令操作码
发出控制信号：驱动 ALU、寄存器、内存等部件动作

中断系统核心概念

中断请求：外设通过中断线向 CPU 发送请求信号
中断响应：CPU 在当前指令执行结束后检测中断请求
中断服务：跳转至中断服务程序处理外设请求

🔵8.2 指令周期

🔵8.2.1 指令周期的基本概念

定义：执行一条指令所需要的全部时间，由若干机器周期（CPU 周期）组成
阶段划分：

取指周期：从内存读取指令到 IR
译码周期：分析指令操作码和寻址方式
执行周期：完成指令规定的操作
访存周期（可选）：读写内存数据
中断周期（可选）：处理中断请求

流程图：指令周期流程

🔵8.2.2 指令周期的数据流

示例：加法指令数据流

PC → 内存地址总线（取指）
内存数据 → IR（指令存入 IR）
PC 自增 → 指向下一条指令
IR 操作码 → 控制单元译码
源操作数地址 → 内存 / 寄存器获取数据
ALU 执行加法运算 → 结果存入 ACC

🔵8.3 指令流水

🔵8.3.1 指令流水原理

流水线思想：将指令执行过程分解为多个阶段（如取指 IF、译码 ID、执行 EX、访存 MEM、写回 WB），各阶段并行处理不同指令
示例：5 级流水线示意图

说明：每个时钟周期启动一条新指令，相邻指令在不同阶段并行执行

🔵8.3.2 影响流水线性能的因素

结构冲突：硬件资源竞争（如同时访问内存）
数据冲突：后续指令依赖前序指令的结果
控制冲突：分支指令导致流水线断流

🔵8.3.3 流水线性能

性能指标：

吞吐率（TP）：单位时间执行的指令数
TP = n / (k + n - 1) * f（n 为指令数，k 为阶段数，f 为时钟频率）
加速比（S）：流水线执行时间与非流水线执行时间的比值

🔵8.3.4 流水线中的多发技术

超标量技术

多个指令译码器和运算单元
示例：同时执行 2 条指令的流水线

// 模拟超标量流水线（简化版）
public class SuperscalarPipeline {public void executeInParallel(Instruction inst1, Instruction inst2) {// 并行译码decode(inst1);decode(inst2);// 并行执行（假设ALU1和ALU2独立）execute(inst1);execute(inst2);}private void decode(Instruction inst) { /* 译码逻辑 */ }private void execute(Instruction inst) { /* 执行逻辑 */ }
}class Instruction { /* 指令类 */ }

🔵8.3.5 流水线结构

典型流水线结构对比

流水线类型	阶段数	典型应用
简单流水线	3-5 级	早期 CPU（如 80486）
超流水线	6-15 级	Pentium 系列
乱序执行流水线	多级	现代 CPU（如酷睿）

🔵8.4 中断系统

🔵8.4.1 概述

中断分类：

硬件中断：来自外设（如键盘、磁盘）
软件中断：由指令触发（如系统调用）
异常：CPU 内部错误（如除法溢出）

中断处理流程：

中断请求 → 2. 中断判优 → 3. 中断响应 → 4. 中断服务 → 5. 中断返回

🔵8.4.2 中断请求标记和中断判优逻辑

数据结构模拟：中断请求寄存器

// 中断请求寄存器（8位，支持8个中断源）
public class InterruptRequestRegister {private int irr; // 用整数模拟8位寄存器（每位代表一个中断源）// 设置中断请求（第n位设为1）public void setRequest(int n) {if (n >= 0 && n < 8) {irr |= (1 << n); // 位运算设置请求位System.out.println("中断源" + n + "请求已登记");}}// 清除中断请求（第n位设为0）public void clearRequest(int n) {irr &= ~(1 << n);}
}

🔵8.4.3 中断服务程序入口地址的寻找

向量中断方式：

每个中断源对应唯一的中断向量号
CPU 根据向量号查找中断向量表获取服务程序地址

模拟中断向量表

// 中断向量表（存储8个中断源的服务程序地址）
public class InterruptVectorTable {private int[] vectorTable = new int[8]; // 存储地址（模拟整数）// 初始化向量表public InterruptVectorTable() {for (int i = 0; i < 8; i++) {vectorTable[i] = 0x1000 + i * 100; // 预设地址范围}}// 根据向量号获取服务程序地址public int getServiceAddress(int vectorNo) {return vectorTable[vectorNo];}
}

🔵8.4.4 中断响应和恢复现场

中断响应步骤：

关中断：禁止新的中断请求
保存断点：将当前 PC 值存入堆栈
识别中断源：获取中断向量号
跳转服务程序：PC ← 中断向量地址

恢复现场代码模拟

// 模拟中断现场保存与恢复
public class InterruptHandler {private Stack<Integer> stack = new Stack<>(); // 模拟堆栈// 保存现场（PC、寄存器等）public void saveContext(int pc, int acc, int psw) {stack.push(pc);stack.push(acc);stack.push(psw);System.out.println("现场已保存至堆栈");}// 恢复现场public void restoreContext() {int psw = stack.pop();int acc = stack.pop();int pc = stack.pop();System.out.println("恢复PC=" + pc + ", ACC=" + acc + ", PSW=" + psw);}
}