计算机科学引论

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1、CPU的结构和指令的执行计算机科学引论CPU的基本部件计算机的基本模型有两个部件内存存储需要处理的数据存储处理好的数据存储程序CPU执行存储在内存中的程序，把需要处理的数据变换成所期望的新格式或内容（处理好的数据）结构比内存复杂得多内存CPU8/27/20212MachineStructureCPU的基本部件CPU究竟需要哪些部件？CPU的工作：执行程序(program)程序：一系列的指令(instruction)指令：对一个或多个数进行某个操作Z=X+YA=B*C操作(operator)操作数(operand)让CPU工作的第一步：告诉它操作和操作数的信息CPU只认识二进制数把指令编码成二

2、进制数8/27/20213MachineStructureCPU的基本部件指令编码编码操作常用操作个数：20-30个用4-5位二进制数即可编码8/27/20214MachineStructureCPU的基本部件指令编码编码操作数操作数存储在内存中内存用地址索引用地址编码操作数？32位平台，地址一般是32位3操作数指令的话，地址要32*3=96位!现代内存相对于现代CPU的速度来说也太慢了把操作数放到快而小的存储空间指令中只编码一个地址8/27/20215MachineStructureCPU的基本部件指令编码编码操作数操作数放在哪里？比较小，可以用很短的地址编码非常快，和CPU的计算速

3、度相当要快，就要小！寄存器(register)8/27/20216MachineStructureCPU的基本部件指令编码寄存器(register)CPU中存放操作数的空间小：一般不超过32个快：一般一个CPU周期可访问多次(2到10多次)编码操作数编码寄存器的地址32个寄存器须用5位二进制编码，3个操作数需要3*5=15位二进制数CPU寄存器内存8/27/20217MachineStructureCPU的基本部件指令编码寄存器中的数从何而来？数据总是存储在内存中的数据必须从内存读内存访问指令：只编码一个地址RISC类CPU甚至只编码半个地址，一个32位地址须由两条指令装载到寄存器并拼接

4、而成CPU需要内存访问单元(memoryunit)CPU寄存器内存MU8/27/20218MachineStructureCPU的基本部件指令所指定的操作需要执行CPU需要有执行部件不同功能的执行部件有不同的名字ALU：算术逻辑单元(执行整数算术逻辑运算)FPU：浮点单元(执行浮点运算)……CPU寄存器MUALUFPU为何ALU/FPU要接到MU上？CISC类CPU允许指令使用内存操作数现代CPU为优化执行速度而这么设计8/27/20219MachineStructureCPU的基本部件指令也必须从内存中读取存储程序取指部件(instructionfetch)CPU寄存器MUALUFPUI

5、FIF要读内存，连上MU？较老的CPU是这么设计的较新的CPU其MU被分裂成多个部件以提高速度8/27/202110MachineStructureCPU的基本部件指令从哪个内存单元取？IP/PCInstructionPointer,ProgramCounterCPU寄存器MUALUFPUIFPC每次取到指令后，IP/PC自动加适当的值指向下一条指令分支指令怎么办?8/27/202111MachineStructureCPU的基本部件控制器(ControlUnit)控制指令执行过程，协调各部件工作CPU寄存器MUALUFPUIFPCCUCPU核心逻辑，最难设计的部分。设计优劣直接影响C

6、PU的性能。8/27/202112MachineStructureCPU指令执行过程第一步：取指把IP/PC的值交给MUMU读到指令给IFIP/PC增加，指向下一条指令寄存器MUALUFPUIFPCCU.8/27/202113MachineStructure指令执行过程第二步：指令译码(decode)解出指令的操作和操作数，并从寄存器读出需要的操作数寄存器MUALUFPUIFPCCUaddr1,r2,r3指令寄存器8/27/202114MachineStructure指令执行过程第三步：运算执行指令所指定的运算寄存器MUALUFPUIFPCCUaddr1,r2,r38/27/202115Ma

7、chineStructure指令执行过程第四步：内存访问如果是要读写内存的指令：读写内存如果不是？暂停等待一周期，或跳过寄存器MUALUFPUIFPCCUaddr1,r2,r38/27/202116MachineStructure指令执行过程第五步：写回把结果写回寄存器寄存器MUALUFPUIFPCCUaddr1,r2,r38/27/202117MachineStructureMIPS的指令执行简化表示IF