一 cpu 的功能和基本结构
1.CPU 的功能：取指令 -----操作控制 、时间控制 -------》 执行指令。
指令的控制（程序的顺序控制）
操作的控制 （一条指令有 若干操作信号实现）
时间控制 （指令各个操作实施时间的定时）
数据加工（算数运算和逻辑运算）
2.CPU的组成
1）、中央处理器：CPU= 运算器+控制器
2）、运算器：
ALU
累加器
暂存器
3） 控制器：
程序计数器，指令寄存器 、数据缓冲器、地址寄存器、通用寄存器、状态寄存器、时序发生器、指令译码器、总线（数据通路）。
程序计数器PC:存放下一条将要执行的指令地址的部件。
指令寄存器IR:保存当前正在执行的指令。
指令译码器ID：对指令寄存器中的指令指令操作码字段进行分析。
机器周期、工作节拍、脉冲及启停控制线路。
时序控制信号形成部件
数据缓冲寄存器（DR/MDR）：保存内存读来的数据或将要写到内存的数据。
地址缓冲寄存器 (AR/MAR) : 保存当前CPU所访问的内存单元的地址。
数据通路 模型机
操作控制器：为数据通路的建立提供各种操作信号，操作信号提供的依据是指令操作码和时序信号，主要三种类型：
组合类型：
存储类型：
混合类型：
硬布线控制器：
硬布线控制器：采用组合逻辑技术实现，时序控制信号形成部件是由门电路组成的复杂树形网络。这种方法是分立元件时代的产物，以使用最少器件数和取得最高操作速度为设计目标。
组合逻辑控制器最大优点是速度快、但是时序控制信号形成的部件结构不规整、使得设计、调试、维修较困难。难以实现设计自动化。
微程序控制器：
微程序控制器采用存储逻辑来实现的，把微操作信号代码化，是每条机器指令转化成为一段微程序并存入一个专门的存储器（控制存储器）中， 微操作控制信号由微指令产生。
微程序控制器的设计思想和组合逻辑设计思想截然不同。它具有设计规整，调试、维修以及更改、扩充指令方便的优点。易于实现自动化设计。成为当前控制器的主流。但是，由于它增加了一级控制存储器，所以指令执行速度比组合逻辑控制器慢。
组合逻辑和存储逻辑结合型：
这种控制器称为PLA控制器，它是吸收前两种的设计思想来实现的。
二 指令执行过程
1.、指令周期：取指令、分析指令到执行完该指令所需全部时间。
2。机器周期通常又称CPU周期。
1） 通常把一条指令周期划分为若干个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作。
2） 主存的工作周期（存取周期）为基础来规定CPU周期，比如： 可以用CPU读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。
3） 不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。
4) 一个机器周期中，包含若干机器周期（节拍脉冲或T脉冲）。
5） CPU周期规定，不同的计算机中规定不同。
3、时钟周期：
1） 在一个机器周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。
2）因而需要把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为一个节拍。
3） 节拍 常用具有一定宽度的电位信号来表示，称之为节拍电位。
时序产生器的作用：
1）CPU的控制器用它来指挥机器的工作。
2）CPU可以用时序信号/周期信息来辨认从内存中取出的是指令（取值） 还是数据（执行）
3） 一个CPU周期中，时钟脉冲对CPU的动作有严格的约束。
4）操作控制器发出的各种信号是时间（时序信号） 和空间（部件操作信号）的函数。
控制方式：
1） 同步控制方式：（指令的机器周期和时钟周期数不变） 完全统一的机器周期执行各种不同的指令
2）异步控制方式： 每条指令需要多长时间就占多长时间。
3）联合控制方式：大部分指令在固定的周期内完成，少数难以确定的操作采用异步方式。
机器周期的节拍脉冲固定，但是各指令的机器周期数不固定（微程序控制器采用）
三 数据通路的功能和基本结构，
四 控制器的功能和工作原理
1.硬布线控制器
1）实现方法：通过逻辑电路直接连线而产生的，又称为组合逻辑控制方式
2）设计目标：使用最少元件（复杂的树形结构） 速度最高。
指令执行过程：微程序控制器时序信号简单，只需要若干节拍脉冲信号即可，组合逻辑控制器除了节拍脉冲信号外，还 需要节拍电位信号
2. 微程序控制器
微程序、微指令 和微命令；微命令格式，微命令的编码方式， 微地址的形式方式。
基本思想：把操作控制信号编制成微指令，存放到控制存储器中，运行时，从控存中取出微指令，产生指令运行所需的操作控制信号。
可以看出，微程序设计技术是一种用软件方法设计硬件的技术。
微命令：控制部件向执行部件发出的各种控制命令，叫做微命令，它是构成控制序列的最小单位。
微命令是控制计算机各部件完成某个微操作的命令。
微操作：是微命令的操作过程。微命令和微操作是一一对应的。 微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。微操作是执行部件中最基本的操作。
由于数据通道的结构关系，微操作可以分为相容的和互斥的两种，
1.互斥的微操作：是指不能同时或不能在同一个节拍内并行执行的微操作。可以编码表示。
2.相容的微操作：是指能够同时或在同一个节拍内并行执行的微操作，必须各站一位。
微指令：把在同一个CPU周期内并行执行的微操作控制信息，存储在控制存储器里，称为一天微指令。
一条微指令通常包含两大信息：
操作控制字段：又称微操作码字段。用以产生某一步操作所需的各个微操作控制信号。
顺序控制字段：又称微地址码字段。用以产生一条要执行的微指令地址。
微程序：一系列微指令的有序集合就是微程序。
一段微程序对应一条机器指令。
微程序控制原理：
控制存储器（CM）:把程序控制器的核心部件，用来存放微程序，其性能（包括容量，速度，可靠性等）与计算机的性能密切相关。
微程序设计技术：
设计微程序应当追求的目标：
有利于缩短指令的长度，
有利于缩小CM的容量，
有利于提高微程序的执行速度。
有利于对微指令的修改
有利于提高微程序设计的灵活性。
微命令的编码方法：
编码有三种方法：
直接表示法：操作控制字段中的各位分别可以直接控制计算机，不需要进行译码。
特点：结构简单，并行性强，操作速度快，但是指令字太长，若微命令的总数为N个，则微指令操作控制字段要 有N位，指令是互斥的，利用率低。
编码表示法：将操作控制字段分为若干个小段，每段内采用最短编码法，段与段之间采用之间控制法。
特点:可以避免互斥，使指令大大缩短，但是增加了译码电路，使程序的执行速度减慢。
混合表示法：将前两种结合在一起，兼顾两者特点，一个字段的某些编码不能独立的定义某些微命令，而需要与其他 字段的编码来联合定义。
微指令地址的形成：
入口地址：每条机器指令对应一段微程序，当公用的取指数程序从主存中取出机器指令后，由机器指令的操作码字段，指出各段微程序的入口地址，这是一种多分支的情况。
机器指令的操作码，转换成初始为地址的方式有两种：
计数器的方式。
多路转移方式。
1.入口地址的形成：如果机器指令的操作码字段的位数和位置固定，可以直接使操作码与微程序入口地址的部分位相 对应。
2.后继微地址形成方式：
1）、计数器方式：微程序顺序执行时，其后继微地址，就是现行微地址加上一个增量（通常为1）。
当微程序遇到转移或转子程序时，由微指令的转移地址段来形成转移微地址。
在微程序控制器中也有一个微程序计数器upc，一般情况下都是将微地址寄存器u MAR作为u PC
2）、多路转移方式：
根据条件转移，
条件： 状态条件，测试,微指令中微地址，操作码。
微指令格式分为两类：水平型微指令和垂直型微指令。
1）水平型微指令：是指一次能定义并能执行多个微命令的微指令。
格式如下： 控制字段 | 判别测试字段 | 下地址字段
2）垂直型微指令：采用编码方式，
设置微操作控制字段时，一次只能执行一个或两个微命令的微指令叫做垂直型微指令。
五：指令流水线：改变各条指令按顺序串行执行的规则，使机器在执行上一条指令的同时，取出下一条指令，即上一条指令的执行周期，与下一条指令的取址周期同时进行，也可以把指令周期划分的更细，使更多的指令在同一时间内并行执行。
1.指令流水线的基本概念
2.指令流水线的基本实现
3.超标量和动态流水线的基本概念：
1）：在CPU中有两条或两条以上的流水线称为超标量流水线。
2）：动态流水线：是指在同一时间段内，多功能流水线中各段可以按照不同方式连接，同时执行多种功能，若只能按一种固定方式连接，实现一种固定的功能，则称静态流水线。
流水线CPU时空图；
IF（Instruction Fetch 取指）；
ID(Instruction Decode 指令译码)；
EX(Excution 执行)；
WB(Write back 写回)；
入 -------》IF-------> ID-------》EX-------》WB-----》出。