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CPU的结构和指令的执行
计算机科学引论
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2021/7/16
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
CPU
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CPU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 + Y
A = 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
把指令编码成二进制数
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CPU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
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CPU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
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CPU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的计算速度相当
要快，就要小！
 寄存器(register)
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CPU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
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CPU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而成
CPU需要内存访问单元(memory unit)
CPU
寄
存
器
内存
MU
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CPU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
MU
ALU
FPU
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
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CPU的基本部件
指令也必须从内存中读取
存储程序  取指部件(instruction fetch)
CPU
寄
存
器
MU
ALU
FPU
IF
IF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
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