一、CPU 的功能和组成
- CPU 的功能 CPU 是计算机的核心部件，主要有五大功能：指令控制，按程序顺序完成取指、译码、执行；操作控制，依据指令译码产生各部件所需微操作控制信号；时间控制，为所有微操作提供时序定时；数据加工，完成算术运算、逻辑运算；中断处理，响应中断请求，保存现场、处理中断以及中断返回。
- CPU 的基本组成 CPU 由运算器和控制器两部分组成。运算器包含 ALU 算术逻辑单元、累加器、标志寄存器、通用寄存器组，负责数据加工运算。控制器包含 PC 程序计数器、IR 指令寄存器、指令译码器、操作控制器、时序发生器，负责整机的信号指挥与时序协调。
- CPU 中的主要寄存器 PC 程序计数器：存放将要取出的下一条指令地址，顺序执行时自动自增，转移指令可以改写 PC 的值。 IR 指令寄存器：存放当前正在译码、执行的指令。 MAR 存储器地址寄存器：存放访问主存的单元地址。 MDR 存储器数据寄存器：存放主存和 CPU 之间传输的指令或者数据。 ACC 累加器：运算器核心寄存器，存放参与运算的操作数以及运算结果。 PSW 程序状态字寄存器：保存运算产生的标志位，包含零标志、进位标志、溢出标志、符号标志。 通用寄存器组：临时存放操作数，减少访问内存次数。
- 操作控制器与时序发生器 操作控制器：接收指令译码信号、时序信号、状态反馈信号，生成全部微操作控制信号；分为硬布线控制器、微程序控制器两种类型。 时序发生器：产生机器周期、节拍、脉冲时序信号，为 CPU 内部所有微操作提供统一时间基准，保证操作按固定顺序执行。
二、指令周期
- 指令周期的基本概念 指令周期：取出并且执行一条指令所需要的全部时间。 机器周期：完成一次访存操作所需要的时间，一条指令周期可以由一个或者多个机器周期构成。 时钟周期（节拍）：CPU 最小时间单位。 所有指令都必须经过取指周期，取指周期操作：PC→MAR，发读信号，主存→MDR→IR，PC 自增。
- NOT 指令的指令周期 NOT 为单操作数逻辑取反指令，不需要访问内存取操作数。 取指周期：从内存取出指令送入 IR，PC+1。 执行周期：将 ACC 中的数据送入 ALU 完成按位取反，结果写回 ACC。
- LAD 指令的指令周期 LAD 是取数指令 Load，功能：把主存单元的数据读取到累加器 ACC。 取指周期：取出指令，PC+1。 间址周期（间接寻址时才有）：取出操作数有效地址。 执行周期：地址码送入 MAR，发读命令，主存数据读出，经过 MDR 送入 ACC。
- ADD 指令的指令周期 ADD 是加法指令，功能：ACC 的值加上主存操作数，结果放回 ACC，更新状态标志。 取指周期：取出指令，PC+1。 间址周期（间接寻址时才有）：取出操作数有效地址。 执行周期：地址码送入 MAR，读主存得到操作数；ACC 和读出的操作数送入 ALU 相加；运算结果存入 ACC，修改 PSW 标志位。
- STO 指令的指令周期 STO 是存数指令 Store，功能：将 ACC 中的数据写入指定主存单元。 取指周期：取出指令，PC+1。 间址周期（间接寻址时才有）：取出操作数有效地址。 执行周期：地址码送入 MAR，ACC 数据送入 MDR，发送写信号，将 MDR 数据写入主存对应单元。
- JMP 指令的指令周期 JMP 是无条件转移指令，依靠修改 PC 实现程序跳转，不需要访问操作数。 取指周期：取出指令，PC+1。 执行周期：将指令给出的转移地址送入 PC，下一次取指从新地址开始。
- 用方框图语言表示指令周期 方框：代表一个机器周期（CPU 周期），框内填写该周期对应的微操作。 菱形框：代表条件判断分支。 箭头：代表数据流、控制信号流向。 标注内容：节拍编号、微操作控制信号。 统一规则：所有指令流程图起点都是取指周期，后续流程根据指令类型区分。
三、流水线技术与流水线处理器
- 流水线原理 流水线核心思想是时间重叠，把一条指令的执行过程拆分为多个独立阶段，典型分为取指 IF、译码 ID、执行 EX、访存 MEM、写回 WB。多条指令在不同阶段重叠并行工作，提升 CPU 吞吐能力。 流水线三个性能指标：吞吐率 TP、加速比、流水线效率。
- 流水线的应用 指令流水线：CPU 内部的指令流水线，应用最广泛。 运算流水线：浮点加法、浮点乘法等专用运算流水线。 向量流水线：向量计算机、GPU 中的向量流水线。
- 指令流水线设计中的若干问题 结构冒险：资源冲突，多条指令同时争抢同一个硬件资源；解决办法：分离指令 Cache 和数据 Cache，设置独立总线。 数据冒险：数据相关，后一条指令需要前一条指令的运算结果，结果还没有写回；分为 RAW 写后读、WAR 读后写、WAW 写后写；解决办法：旁路转发、插入气泡、编译器指令调度。 控制冒险：分支冒险，分支指令无法提前确定 PC 值，预取指令错误；解决办法：分支预测、延迟分支技术。 流水线瓶颈：流水线中速度最慢的段，决定整条流水线的时钟周期。
- 动态流水线调度 静态流水线：同一时刻，流水线只能实现同一种运算功能。 动态流水线：同一时刻，流水线各个段可以灵活连接重组，支持多种不同运算同时进行。 经典调度算法：Tomasulo 算法，引入寄存器重命名、乱序执行机制，可以消除 WAR、WAW 数据相关，减少流水线气泡，提升流水线利用率。
