CPU原理

Kevin2li大约 4 分钟ComputerComposition

冯 • 诺依曼结构

运算器

功能：执行算术逻辑运算 组成：

  • ALU: 用于执行各种算术和逻辑运算，包括加、减、乘、除、与、或、非、移位等。
  • 数据寄存器： 用于存储运算器中的操作数和运算结果。
  • 状态寄存器：用于存储运算器的运算状态，例如运算结果是否为零、是否溢出等。

控制器

功能：从内存中加载程序指令并提供给运算器所需的操作数和操作码，驱动程序指令的执行。 组成：

  • 指令寄存器(IR): 存储从存储器加载的当前正在执行的指令
  • 程序计数器(PC): 保存下一条要执行的指令的存储器地址
  • 指令译码器: 用于将指令解码成控制信号，以便控制器可以控制其他组件执行指令
  • 时序逻辑：用于根据指令译码器解码出的指令信息，生成控制信号，控制其他组件执行指令
  • 中断控制器：用于处理计算机中的中断请求，以便及时响应外部设备的请求并完成相应的处理任务

存储器

功能：用于存储程序和数据，程序和数据都以二进制形式存储，并且存储器中的地址是连续的。程序和数据都可以通过地址来访问和操作。 组成：

  • 主存储器（Main Memory）

通常是指随机存储器（Random Access Memory，RAM），它具有随机访问的特性，可以在短时间内存取或写入任意存储单元中的数据。

  • 辅助存储器（Secondary Storage）

通常是指硬盘、光盘、U盘等外部存储设备，它们通常具有较大的存储容量和较慢的读写速度，但可以永久保存数据和程序。

输入设备

功能：允许用户或程序从外部输入数据，常见的输入设备有键盘、鼠标、摄像头、麦克风等

输出设备

功能：允许将程序的输出结果展示到外部设备中，常见的输出设备有显示器、扬声器等

其中，运算器和控制器合称为CPU。

工作流程

  1. 取指令

控制器的PC寄存器存放了下一条指令的地址，将该地址放到地址总线上，控制总线上发出read信号，内存将该地址的数据放到数据总线上，结果保存到IR寄存器中，PC寄存器自动增加以指向下一条指令

  1. 分析指令

根据指令集的定义区分操作码和操作数，并去指定位置(立即数、寄存器、内存)取操作数，输入到运算器中

  1. 执行指令

运算器执行相应的运算

  1. 存储结果

将运算结果保存到指定位置，如这里是保存到内存中

电路实现

思路：先设计简单的1个bit的电路，可以列真值表设计出逻辑电路结构，(可以的话将其优化一下)，然后将其当作黑箱封装，作为基本块一步步设计更复杂的电路

运算电路

以加法器为例：

真值表：

SUM: (NOT(A) AND B) OR (A AND NOT(B)) # 1 when exactly one of A or B is 1
CARRY OUT: A AND B # 1 when both A and B are 1

一位加法器：

四位加法器：

控制电路

  • 复用器：从多个输入中选择一个作为输出

1bit的2路复用器：

1bit的4路复用器：

  • 分用器：从多个输出中选择一个来接收输入
  • 解码器：输入N-bit的值，将结果传输到2N2^N个输出之一

存储电路

  • 锁存器

RS锁存器：

门控D锁存器：

寄存器可由多个门控D锁存器实现。

设计

Register File:

CPU:

时钟信号：

时钟边缘触发电路状态变化，驱动指令执行。

  • 上升沿：输入稳定，可以进行下一步操作
  • 下降沿：输出稳定，可以读取结果

时钟周期的长度要保证电路传播耗时最长的阶段能够完成，一般是执行指令阶段。

优化

流水线

  • 没有流水线：

每条指令需要的时钟周期数CPI = 4

  • 使用流水线：

每条指令需要的时钟周期数CPI = 1

流水线的不足：

  • 数据方面：

    • 指令需要的时钟周期数不一致
    • 结果不一致

  • 控制方面

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