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6、CPU结构.md
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6、CPU结构.md
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# CPU 的结构
### CPU 的功能
* 控制器的功能
* （指令控制）取指令
* （操作控制）分析指令
* （时间控制）执行指令，发出各种操作命令
* （时间控制）控制程序输入及结果的输出
* （处理中断）总线管理
* （数据加工）处理异常情况和特殊请求
* 运算器的功能
* 实现算术运算和逻辑运算
### CPU 结构框图
* CPU 与系统总线
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219140737289.png" width="25%" height="50%" />
* 框图
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219140804947.png" width="30%" height="50%" />
### CPU 的寄存器
* 用户可见寄存器
* 通用寄存器：存放操作数
* 可作 某种寻址方式所需的 专用寄存器
* 数据寄存器：存放操作数 （满足各种数据类型）
* 两个寄存器拼接存放双倍字长数据
* 地址寄存器：存放地址 ，其位数应满足最大的地址范围
* 用于特殊的寻址方式 段基值 栈指针
* 条件码寄存器：存放条件码 ，可作程序分支的依据
* 如 正、负、零、溢出、进位等
* 控制和状态寄存器
* 控制寄存器：PC -> MAR -> M -> MDR ->IR
* 控制 CPU 操作
* 其中 MAR 、MDR 、IR 用户不可见、PC 用户可见
* 状态寄存器
* 状态寄存器：存放条件码
* PSW 寄存器：存放程序状态字
### 控制单元 CU 和中断系统
* CU 产生全部指令的微操作命令序列
* 组合逻辑设计：硬连线逻辑
* 微程序设计：存储逻辑
* 中断系统
### ALU
ALU 电路
* 组合逻辑电路
* Ki 不同取值 -> Fi 不同
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133429952.png" width="20%" height="50%" />
* 四位 ALU 74181
* M = 0 算术运算
* M = 1 逻辑运算
* S3 ~ S0 不同取值，可做不同运算
快速进位链
* 并行加法器
* 电路
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133455805.png" width="40%" height="40%" />
* 运算
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133517845.png" width="40%" height="40%" />
1、串行进位链
* 电路
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* 运算
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133611176.png" width="40%" height="40%" />
2、并行进位链（先行进位，跳跃进位）
* 电路
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133637659.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="40%" height="50%" />
* 运算
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133657491.png" width="40%" height="50%" />
2.1、并行进位链：单重分组跳跃进位链
* n 位全加器分若干小组，小组中的进位同时产生，小组与小组之间采用串行进位
* 电路（以 n = 16 为例）
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133716395.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="40%" height="50%" />
2.2、并行进位链：双重分组跳跃进位链
* n 位全加器分若干大组，大组中又包含若干小组。每个大组中小组的最高位进位同时产生。
* 大组与大组之间采用串行进位。
* 分组
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133737932.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="40%" height="50%" />
* 大组进位分析
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133804146.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="40%" height="50%" />
* 大组进位线路（以第 2 大组为例）
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133828440.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_7" width="40%" height="50%" />
* 小组进位线路（以第 8 小组为例）
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133846778.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="40%" height="50%" />
* n =16 双重分组跳跃进位链
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133905585.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="40%" height="50%" />
* 大组进位线路
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219133926947.png" />
* 小组进位电路
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219134008113.png" />
* n =32 双重分组跳跃进位链
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219134036818.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="40%" height="50%" />
* 大组进位线路
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219134059260.png" />
* 小组进位电路
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219134134352.png" />
# 指令周期
### 基本概念
* 指令周期
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219140832250.png" width="35%" height="50%" />
* 取出并执行一条指令所需的全部时间
* 完成一条指令
* （取指周期）取指、分析
* （执行周期）执行
* 每条指令的指令周期不同
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219140856546.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_7" width="50%" height="50%" />
* 具有间接寻址的指令周期
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219140924733.png" width="40%" height="50%" />
* 带有中断周期的指令周期
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219140951240.png" width="40%" height="50%" />
* 指令周期流程
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219141011993.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_7" width="30%" height="50%" />
* CPU 工作周期的标志
* 有四种性质
* （取指周期）取指令
* （间址周期）取地址
* （间址周期）存取 操作数或结果
* （中断周期）存程序断点
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219141034953.png" width="50%" height="50%" />
### 指令周期的数据流
* 取指周期数据流
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/20201219141100711.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="35%" height="50%" />
* 间址周期数据流
<img src="https://img-blog.csdnimg.cn/2020121914113043.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNDYwNw==,size_16,color_FFFFFF,t_70" width="35%" height="50%" />
* 执行周期数据流
* 不同指令的执行周期数据流不同
* 中断周期数据流
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