[特殊字符]《计算机组成原理》第 8 章 - CPU 的结构和功能

🔵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B
          registerB = 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=5
          cpu.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：

      1. 取指周期：从内存读取指令到 IR
      2. 译码周期：分析指令操作码和寻址方式
      3. 执行周期：完成指令规定的操作
      4. 访存周期（可选）：读写内存数据
      5. 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

      1. PC → 内存地址总线（取指）
      2. 内存数据 → IR（指令存入 IR）
      3. PC 自增 → 指向下一条指令
      4. IR 操作码 → 控制单元译码
      5. 源操作数地址 → 内存 / 寄存器获取数据
      6. 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

      1. 结构冲突：硬件资源竞争（如同时访问内存）
      2. 数据冲突：后续指令依赖前序指令的结果
      3. 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：

            1. 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