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一：CPU模型

哈佛结构
在冯·诺依曼结构基础上，使用两个独立的存储模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，从而实现了对指令的访问和对数据的访问并行处理，加快了计算机的执行速度。

二：指令周期

1、时钟周期

时钟周期：时钟周期是CPU的基本时间计量单位，它是CPU一切操作的计时标准和基本控制信号，它由计算机的主频决定。

T = 1 / f

8086的主频为5MHZ，则一个时钟周期为200ns
80486主频为100MHZ，则一个时钟周期为10ns

2、机器周期(CPU周期)

机器周期(CPU周期)：CPU通过总线从内存读取一个机器字的时间称为一个CPU周期，一般需要4个时钟周期，分别称为T1、T2、T3、T4状态。
（给地址——>给片选、读写等控制信号——>数据传输——>各信号恢复）

3、指令周期

执行一条指令需要经过读取指令，指令译码及指令执行的过程，把执行一条指令所需要的时间称为指令周期。

不同指令的指令周期是不等长的，最短时间为两个机器周期，一个机器周期取指令，一个机器周期执行指令；有的复杂的指令需要更多机器周期。

下面给出6条指令组成的一个程序，通过每一条指令的取指阶段和执行阶段的分解动作，了解指令的指令周期和CPU执行程序的过程。

4、举例：MOV指令的指令周期

MOV是一条典型的RR指令，属于非访存指令，它需要两个机器周期，其中取指令阶段需要一个机器周期，执行指令阶段需要一个机器周期。

5、用方框图语言表示指令周期

－方框代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。

－菱形表示某种判别或测试，不过时间上它依附于紧接它的前面一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。

－～符号是公操作符号，表示一条指令已经执行完毕而转入公操作(CPU每执行完一条指令，都要测试外部设备有无中断请求，DMA控制器有无DMA请求，这些操作称为公操作)。如果没有公操作，CPU转入下一条指令的执行。

－DBUS表示数据总线
－IBUS表示指令总线
－ABUS(D)表示数据地址总线
－ABUS(I)表示指令地址总线
－RD(I)表示读指存, RD(D)表示读数存,
－WE(D)表示写数存

三：例题

四：微程序控制器

1、微程序的概念

微指令：
在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。

微程序：
一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列通常叫做微程序。

将微程序存入到高速的只读存储器中，机器指令的解释执行通过读取对
应的微程序来完成，存储逻辑实现的控制器称为微程序控制器。

微指令的操作控制部分决定给出的微命令，顺序控制部分决定下一条微指令在只读存储器中的地址，由P测试字段和后续直接地址构成。如果判别测试字段全为0，后续直接地址给出下一条微指令的地址；否则修改后续直接地址作为下一条微指令的地址。

2、微程序控制器的结构

控制存储器：存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读型存储器。要求速度快，读出周期短。
微地址寄存器：存放读出微指令的直接地址，决定要读取的下一条微指令的地址。
微命令寄存器：保存读出微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。
地址转移逻辑：承担自动完成修改微地址的任务。

地址转移逻辑：
①P1=0，P2=0，不修改微地址寄存器中的直接地址，是下一条微指令地址。
②P1=1，P2=0，则指令寄存器中的指令的操作码的后四位修改微地址寄存器的四位地址，给出16路分支。如某条指令的操作码是00001010，则下一条
微指令的地址是1010。P1称为操作码测试。
③P1=0，P2=1，则利用进位标志CY求反修改微地址寄存器的最后一位。

五：微程序举例

1、例题一

2、例题二

某指令系统中，取指指令是微指令1，指令a由微指令2和3解释执行，指令b由微指令4解释执行，指令c由微指令5和6解释执行。
（OP）_a = 1000
（OP）_b = 0100
（OP）_c = 0110

微程序的组织方式为链式

微程序的组织方式为顺序式

六：流水CPU

1、并行处理技术

并行和并发的含义：
并行性：两个以上事件在同一时刻发生。例如在多CPU系统中，同一时刻多个进程在运行。
并发行：两个以上事件在同一间隔内发生。如某一时刻CPU中只有一个进程运行，而一个时间段内多个进程同时运行。

并行性的三种形式：
时间并行：让多个处理过程在时间上相互错开，轮流地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。时间并行性概念的实现方式就是采用流水处理部件。
空间并行：设置重复资源，同时工作。空间并行技术主要体
现在多处理器系统和多计算机系统。
时间并行＋空间并行：时间重叠和资源重复的综合应用。

2、流水CPU的时空图

设一条指令包含4个子过程：取指令(IF)、指令译码(ID)、执行指令(EX)、
结果回写(WB)。


假设每条指令需要 k 个过程段执行完毕，每个段时间单位为 △t ；如果有 n 条指令：
在非流水CPU中，n 条指令执行完需要时间 T = n * k * △t；
在流水CPU中，n 条指令执行完需要时间 T = （k + n – 1）* △t；
流水加速比：S = n * k / k + （n – 1）
流水线吞吐率：TP = n / (k + n -1) * △t

3、流水线的主要问题

①资源相关：指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。

②数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，这两条指令就是数据相关。

③控制相关：控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果可能顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流。