第6章 中央处理器(2)-硬布线和流水线

中央处理器CPU——指令流⽔线指令流⽔线概念：⼀条指令的执⾏过程划分为不同阶段，占⽤不同硬件资源，多条指令重叠操作实现并⾏处理1.顺序执⾏：⼜称串⾏执⾏⽅式；传统的冯诺依曼机器优点:控制简单，硬件代价⼩缺点：速度慢，各功能部件利⽤率低2.⼀次重叠执⾏⽅式：优点：时间缩短三分之⼀，各功能部件利⽤效率提⾼缺点：控制复杂，硬件开销增⼤3.⼆次重叠执⾏⽅式：优点：时间缩短三分之⼆，理想状态指令执⾏过程图:⽤于分析指令执⾏过程和影响流⽔线因素时空图：⽤于分析流⽔线的性能吞吐率TP:单位时间内流⽔线完成的任务数量或输出结果的数量加速⽐S：同⼀任务下，不使⽤流⽔线⽤时与使⽤流⽔线⽤时之⽐效率E：流⽔线的设备利⽤率锁存器（缓冲寄存器）：作⽤是保存本流⽔段的执⾏结果，提供给下⼀流⽔段使⽤。

影响因素：结构相关（资源冲突）：多条指令同⼀时间争⽤同⼀资源解决：1.后⼀相关指令暂停⼀周期；2.资源重复配置（数据存储器+指令存储器）数据相关（数据冲突）：在⼀个程序中，上⼀条指令执⾏完才能执⾏下⼀条指令（这两条指令即为数据相关）解决：将数据相关的指令和后续指令暂停时钟周期到问题消失再执⾏；1.硬件阻塞stall和软件插⼊NOP；2.数据旁路技术；3.编译优化：通过编译器调整指令顺序控制相关（控制冲突）：转移指令和改变PC值的指令造成断流解决：1.尽早判别转移是否发⽣，尽早⽣成转移⽬标地址2．预取转移成功和不成功两个控制流⽅向上的⽬标指令3．加快和提前形成条件码4．提⾼转移⽅向的猜准率流⽔线的分类1.根据流⽔线使⽤级别:部件功能级、处理机级和处理机间级流⽔线部件功能级流⽔：将复杂的算术逻辑运算组成流⽔线⼯作⽅式处理机级流⽔：把⼀条指令解释过程分成多个⼦过程，如取指、译码、执⾏、访存及写回5个⼦过程。

处理机间流⽔：是⼀种宏流⽔，其中每⼀个处理机完成某⼀专门任务，各个处理机所得到的结果需存放在与下⼀个处理机所共享的存储器中2，按流⽔线可以完成的功能分为：单功能流⽔线和多功能流⽔线单功能流⽔线：指只能实现⼀种固定的专门功能的流⽔线；多功能流⽔线：指通过各段间的不同连接⽅式可以同时或不同时地实现多种能的流⽔线。

计算机组成原理中央处理器与流水线技术计算机组成原理是计算机科学中的基础课程之一，它主要研究计算机系统的硬件组成和工作原理。

而中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）作为计算机的核心部件之一，承担着指令的译码、执行和数据处理等关键任务。

为了提高CPU的运行效率和性能，流水线技术被引入其中。

本文将对计算机组成原理中央处理器以及流水线技术进行探讨。

一、中央处理器的基本结构和功能中央处理器作为计算机系统的核心，它主要由控制器和运算器两部分组成。

其中，控制器负责对指令的解码和控制，而运算器则负责执行这些指令并进行数据的处理。

控制器是中央处理器的指挥中枢，它接收来自主存储器的指令，并对其进行解码和分析。

解码后的指令将被传送到运算器，根据指令的要求，运算器会执行相应的运算操作，并将结果返回到主存储器或其他设备。

运算器主要由算数逻辑单元（ALU）和寄存器组成。

ALU负责执行各种算术运算和逻辑运算，寄存器则用于存储指令和数据。

在运算过程中，ALU可以根据指令的要求，通过寄存器之间的数据传输和运算来完成各种运算操作。

二、中央处理器与流水线技术的关系为了提高CPU的执行效率和性能，流水线技术被引入其中。

流水线技术是基于指令级并行的思想，将指令的执行过程划分为多个子任务，并通过流水线的方式并行执行这些子任务，从而提高CPU的吞吐量。

1. 流水线技术的原理流水线技术将整个指令的执行过程划分为多个阶段，每个阶段完成一个特定的操作。

这些阶段依次连接在一起，形成一个流水线。

当一个指令进入流水线后，它会按照顺序经过各个阶段的处理，直至完成。

而在同一时刻，不同指令的不同阶段可以并行执行，从而提高了整个流水线的效率。

2. 流水线技术的优势流水线技术的引入使得CPU能够同时处理多条指令，提高了整体的执行效率。

同时，流水线技术还具有以下几个优点：（1）资源复用：不同阶段的操作可以使用相同的硬件资源，提高硬件资源的利用率。

第六章中央处理部件CPU1、在微程序控制方式下，机器指令和微指令的关系是。

A、每一条机器指令由一条微指令来解释执行B、每一条机器指令由一段（或一个）微程序来解释执行C、一段机器指令组成的工作程序可由一条微指令来解释执行D、一条微指令由若干条机器指令组成2、在微程序控制中，把操作控制信号编成。

A、微指令B、微地址C、操作码D、程序3、微地址是指。

A、在主存中的存储地址B、在堆栈的存储位置C、在磁盘的存储位置D、在控制存储器中的存储位置4、相对于微程序控制器，硬布线控制器的特点是。

A、指令的执行速度慢，指令功能的修改和扩展容易B、指令的执行速度慢，指令功能的修改和扩展难C、指令的执行速度快，指令功能的修改和扩展容易D、指令的执行速度快，指令功能的修改和扩展难5、CPU中通用寄存器的长度取决于。

A、存储器容量B、机器字长C、指令长度D、CPU功能6、中央处理器是指。

A、运算器B、运算器、控制器和主存储器C、运算器和控制器D、控制器7、计算机操作的最小时间单位是。

A、时钟周期B、指令周期C、CPU周期D、微指令周期8、冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区分它们的依据是。

A、指令操作码的译码结果B、指令和数据的寻址方式C、指令周期的不同阶段D、指令和数据所在的存储单元9、某计算机的指令流水线由四个功能段组成，指令流经各功能段的时间（忽略各功能段之间缓存时间）分别为90ns、80ns、70ns和60ns，则该计算机的CPU周期至少是。

A、90nsB、80nsC、70nsD、60ns10、在计算机系统中，表征系统运行状态的是。

A、指令寄存器B、指令译码器C、程序状态寄存器D、地址译码器11、程序计数器的位数取决于______，指令寄存器的位数取决于______。

A、机器字长，存储器的容量B、存储器的容量，指令字长C、指令字长，机器字长D、地址总线宽度，存储器容量12、指令译码器对______进行译码。

计算机组成原理基础知识流水线技术和超标量处理器计算机组成原理基础知识：流水线技术和超标量处理器计算机组成原理是指计算机硬件的基本组成和工作原理。

在计算机科学与技术领域，流水线技术和超标量处理器是两个重要的概念。

本文将介绍这两种技术的基本原理和应用。

一、流水线技术流水线技术是指将一个复杂的操作分解成多个简单的子操作，并将这些子操作连续地执行，以提高计算机的指令执行效率。

在传统的自顶向下的设计方法中，计算机硬件主要包括控制器、运算器等单一功能模块，而在流水线技术中，计算机硬件被划分成多个阶段，每个阶段执行一个特定的功能子模块。

经典的流水线包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段。

在取指阶段，计算机从存储器中读取指令；在译码阶段，计算机对指令进行解码并读取相应的操作数；在执行阶段，计算机执行相应的操作；在访存阶段，计算机对数据进行读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。

流水线技术的优点是可以充分利用计算机硬件资源，提高指令的并行执行程度。

但是，流水线技术也存在一些问题，例如数据的相关性和冒险问题，需要通过一些技术手段来解决。

二、超标量处理器超标量处理器是一种在流水线技术基础上的改进方案。

传统的流水线技术中，每个阶段只能执行一个指令，而超标量处理器允许在同一个时钟周期内执行多个指令，以进一步提高计算机的执行效率。

超标量处理器主要依靠两个关键技术来实现多指令并行执行：乱序执行和动态调度。

乱序执行是指根据指令之间的依赖关系，按照合理的顺序执行指令，而不是按照指令在程序中的顺序执行。

动态调度是指通过硬件对指令进行调度，在不改变程序语义的前提下，尽可能地重排指令的执行顺序，以提高指令的并行度。

超标量处理器的工作原理可以简单描述为：在取指阶段，计算机从存储器中读取多个指令；在译码阶段，计算机对这些指令进行解码；在执行阶段，计算机并行执行多个指令；在访存阶段，计算机同时进行多个数据的读写操作；在写回阶段，计算机将执行结果写回到寄存器或存储器。

【计算机组成原理】〔白中英〕复习第一章计算机系统概论电子数字计算机的分类〔P1〕通用计算机〔超级计算机、大型机、效劳器、工作站、微型机和单片机〕和专用计算机。

计算机的性能指标〔P5〕数字计算机的五大部件及各自主要功能〔P6〕五大部件：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。

存储器主要功能：保存原始数据和解题步骤。

运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。

控制器主要功能：从内存中取出解题步骤(程序)分析，执行操作。

输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。

输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。

计算机软件〔P11〕系统程序——用来管理整个计算机系统应用程序——按任务需要编制成的各种程序第二章运算方法和运算器课件+作业第三章内部存储器存储器的分类〔P65〕按存储介质分类：易失性：半导体存储器非易失性：磁外表存储器、磁芯存储器、光盘存储器按存取方式分类：存取时间与物理地址无关〔随机访问〕：随机存储器RAM——在程序的执行过程中可读可写只读存储器ROM——在程序的执行过程中只读存取时间与物理地址有关〔串行访问〕：顺序存取存储器磁带直接存取存储器磁盘按在计算机中的作用分类：主存储器：随机存储器RAM——静态RAM、动态RAM只读存储器ROM——MROM、PROM、EPROM、EEPROM Flash Memory高速缓冲存储器〔Cache〕辅助存储器——磁盘、磁带、光盘存储器的分级〔P66〕存储器三个主要特性的关系：速度、容量、价格/位多级存储器体系结构：高速缓冲存储器〔cache〕、主存储器、外存储器。

主存储器的技术指标〔P67〕存储容量：存储单元个数M×每单元位数N存取时间：从启动读(写)操作到操作完成的时间存取周期：两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间，时间单位为ns。

存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，位/秒、字节/每秒，是衡量数据传输速率的重要技术指标。

计算机组成原理教学大纲是计算机专业系统能力培养核心课程。

采用系统观、构造观和工程观的教学设计，研究冯诺依曼计算机各功能部件的工作原理与设计方法，指导大家进行系列组成原理实验，提升智能硬件设计及软/硬协同计算机系统编程能力！提升研究生入学组成原理备考能力。

课程概述“计算机组成原理”是一门理论性、工程性、技术性和实践性都很强的核心专业基础课程，在计算机学科系列课程中处于承上启下的作用。

课程教学目标是通过相关的教学活动，帮助学生理解计算机基本组成部件(包括运算器、控制器、存储器、输入/输出)的结构、工作原理、内部运行机制和设计方法。

加深学生对计算机软、硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并有效增强学生的计算机系统设计能力。

课程学习为研究生考试、后续课程（如系统结构，并行编程、嵌入式系统、接口技术）的学习，参加IT企业招聘等都奠定了坚实的基础。

本MOOC 课程具有如下特点：1.面向系统能力培养的教学设计结合课程特点与教学目标，创造性提出基于构造观、系统观、工程观的教学设计。

其中，构造观重在培养软/硬功能部件设计方法，提升部件级的设计能力；系统观强调硬件结构对软件执行正确性及性能的影响，提升学生软硬协同的系统分析与解决问题的能力；工程观训练考虑工程制约因素,选择恰当技术、优化工程的意识，提升系统实现能力。

2.精心设计实验内容结合教学团队多年系统能力培养实践教学经验，参考国际一流计算机专业相关课程的先进经验，引入了易学易用的免费开源虚拟仿真实验平台，本着理论实践一体化、实验目标系统化、课内课外协同化等原则，建立了逐层递进、立足计算机系统、设计型实验为主导的实践教学体系开发了系列原创的课程实验，引导学生从逻辑门电路开始逐步设计运算部件、存储器、数据通路和控制器、流水线冲突冒险机制直至完整的MIPS 流水CPU来深入理解计算机软硬件系统。

授课目标通过该课程的学习，使学生全面、系统地掌握冯·诺依曼结构计算机各组成部件的基本结构、工作原理、内部运行机制和基本设计方法；加深学生对计算机软、硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并有效增强学生的计算机硬件素养和软件协同的系统观，有效增强学生的计算机系统设计能力。

cpu架构的名词解释随着计算机技术的发展，中央处理器（CPU）作为计算机的核心组件之一，扮演着至关重要的角色。

CPU架构是指CPU设计和实现的基本原理和结构。

本文将对CPU架构的相关名词进行解释，以便帮助读者更好地理解和掌握计算机硬件知识。

1. 位宽（Bit Width）位宽指的是CPU处理数据时一次能够处理的二进制位数。

它决定了CPU在一次操作中能够处理的数据量大小。

例如，一个32位的CPU可以在一次操作中处理32位（4字节）的数据。

位宽越大，CPU可以处理的数据范围越广，但也意味着需要更大的内存和更高的功耗。

2. 指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）指令集架构是一套给定计算机体系结构下的机器语言指令集合。

ISA定义了CPU与软件交互的规则和接口。

它决定了CPU如何执行指令，包括指令的格式、寻址方式以及对寄存器和内存的操作等。

常见的ISA包括x86、ARM、MIPS等。

不同的ISA针对不同的应用场景和需求进行了优化，因此选择适合的ISA对于特定用途的计算机系统至关重要。

3. 流水线（Pipeline）流水线是一种将CPU的指令执行过程划分为多个阶段，以提高指令处理效率的技术。

在流水线中，不同的指令可以同时在不同的阶段执行，从而实现指令级并行。

典型的流水线阶段包括指令取址、指令译码、执行、写回等。

通过流水线技术，CPU可以在同一时钟周期内执行多个指令，从而提高整体性能。

4. 超标量（Superscalar）超标量是指可以在同一时钟周期内同时执行多条指令的CPU架构。

它通过多个独立的功能单元和资源，可以同时执行多条独立的指令，从而进一步提高指令级并行性。

超标量处理器通常具有多个指令发射单元和执行单元，可以通过重命名（Renaming）和乱序执行（Out-of-Order Execution）等技术，实现指令的并行执行。

5. CISC与RISCCISC（Complex Instruction Set Computer）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）分别是复杂指令集计算机和精简指令集计算机的缩写。

《计算机组成原理》教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：计算机组成原理课程英文名称：Principles of Computer Composition课程编码：课程类型：学科基础课总学时：64理论学时：52 实验学时：12学分：4适用专业：计算机类专业先修课程：数字逻辑开课院（部）：计算机科学与工程学院二、课程的性质与任务《计算机组成基础》是计算机类专业必修的一门学科基础课。

本课程介绍计算机系统的组成原理及内部工作机制，包括计算机各大部件的结构、工作原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成计算机整机的技术，旨在使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，深刻理解程序在计算机硬件上被执行的过程，建立计算机系统的整体概念，对培养学生设计开发计算机系统的能力有重要作用。

为今后计算机网络、操作系统、计算机体系结构及专业方向课程的学习打好基础。

三、课程教学基本要求1、计算机组成原理课程的内容比较抽象，教学中需要结合实际例子进行讲授。

2、讲授比较复杂的过程，如指令周期的步骤，可以通过动画演示，帮助学生理解。

也可以结合实验，讲解数据通路。

3、要求学生课前预习，课后复习，尽量完成课后所有习题，帮助消化理解教学内容。

对于典型的习题，应该在习题课上详细讲解。

选讲一些综合性的考研试题，帮助学生开拓思路。

4、注重实验的教学效果，实验不能仅仅停留在做出结果，一定要让学生知其所以然，并且能初步进行一些设计。

四、理论教学内容和基本要求第一章计算机系统概论（一）讲授内容：1.1 计算机的分类1.2 计算机的发展简史1.3 计算机的硬件1.4 计算机的软件1.5 计算机系统的层次结构（二）基本要求：（1）了解计算机软硬件的概念，软件的分类；（2）理解计算机的系统层次结构，包括计算机硬件的基本组成(五大部件的构成)，以及计算机的基本工作过程；（3）掌握计算机的工作原理、硬件的主要技术指标。

（三）重点及难点：重点：计算机的工作原理、计算机的层次结构第二章运算方法和运算器（一）讲授内容：2.1 数据与文字的表示方法2.2 定点加法、减法运算2.3 定点乘法运算2.4 定点除法运算2.5 定点运算器的组成2.6 浮点运算方法和浮点运算器（二）基本要求：（1）掌握各种数制及其相互转换的方法、无符号数和有符号数的表示方法。