CPU的结构和功能

CPU的功能

1. 控制器的功能

   • 取指令
   • 分析指令
   • 执行指令，发出各种操作命令
   • 控制程序输入及结果的输出
   • 总线管理
   • 处理异常情况和特殊请求

2. 运算器的功能

   • 实现算术运算和逻辑运算

指令流水

1. 提高访存速度
   高速芯片、Cache、多体并行
2. 提高I/O和主机之间的传送速度
   中断、DMA、通道、I/O处理机、多总线
3. 提高运算器速度
   高速芯片、改进算法、快速进位链
4. 提高整机处理能力
   高速器件、改进系统结构，开发系统的并行性

影响指令流水线性能的因素

结构相关

不同指令争用同一功能部件产生资源冲突
解决方案：

• 停顿
• 指令存储器和数据存储器分开
• 指令预取技术（适用于访存周期短的情况）

数据相关

不同指令因重叠操作，可能改变操作数的读/写访问顺序
解决办法：

• 后推法
• 采用旁路技术

控制相关

由转移指令引起

流水线性能

吞吐率

单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量
设$m$段的流水线各段时间为$\Delta t$，则：

• 最大吞吐率：

  $$ T_{pmax}=\frac{1}{\Delta t} $$

• 实际吞吐率：

  $$ T_p = \frac{n}{m\cdot \Delta t + (n-1) \cdot \Delta t} $$

加速比$S_p$

$m$段的流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比
设流水线各段时间为$\Delta t$
完成$n$条指令在$m$段流水线上共需：

$$ T=m\cdot \Delta t + (n-1) \cdot \Delta\ t $$

完成n条指令在等效的非流水线上共需

$$ T'=nm \cdot \Delta t $$

则

$$ S_p = \frac{nm\cdot \Delta t}{m \cdot \Delta t + (n-1)\cdot \Delta t}=\frac{nm}{m+n-1} $$

效率

流水线各功能段的利用率
因为流水线有建立时间（就是一开始的时候）和排空时间（就是结束的时候），因此各功能段的设备不可能一直处于工作状态。

流水线效率，即流水线中各功能段的利用率

效率=流水线各段处于工作时间的时空区/流水线中各段总的时空区

$$ =\frac{mn\Delta t}{m(m+n-1)\Delta t} $$

控制单元的功能

操作命令的分析

• 取指周期
• 间址周期
• 执行周期
• 中断周期