概念解释

指令周期（Instruction Cycle）:

从取一条指令执行到取下一条指令执行的间隔时间。所以，一般把一条指令从读取到执行完成所花的全部时间称为指令周期。一个指令周期中要完成多个步骤的操作，包括取指令、指令译码、（计算操作数地址）、取操作数、运算、送结果、（中断响应）等。

机器周期（Machine Cycle）:

在一个指令周期中，最复杂的操作是访问存储器取指令或读/写数据，以及访问I/O读/写数据。它们都涉及到总线操作，通过系统总线来和CPU之外的部件进行信息交换。所以，通常把CPU通过一次总线事务访问一次主存或I/O的时间称为机器周期。所以一个指令周期包含了多个机器周期。不同机器的指令周期所包含的机器周期数不同。典型的机器周期有：取指令、主存读（间址周期是一种主存读机器周期）、主存写、I/O读、I/O写、中断响应等。一台计算机的机器周期类型是确定的。（这个概念在一些书中还会出现，但现代计算机的处理器设计时已经没有机器周期的概念了。）
现代计算机采用CPU片内Cache来存放指令和数据，指令和数据的获取、数据的运算和传输都非常快，所以，一条指令的执行在若干个时钟内就可以完成，不再将指令周期细分为若干机器周期。

同步系统（Synchronous system）:

系统中所有的动作都有专门的时序信号来定时，规定何时发出什么动作。这样的系统为同步系统。例如：在CPU内部，一个指令的执行要完成数据信息的读/写、内部数据的传送或运算等。因此，指令的执行过程必须分解成若干步骤和相应的动作来完成，每一步动作都要有相应的控制信号进行控制，这些控制信号何时发出、作用时间多长，都要有相应的定时信号进行同步。

时序信号（Timing signal）:

同步系统中用于进行同步控制的定时信号，早期计算机的处理器设计时，采用机器周期-节拍-工作脉冲三级时序系统。现代计算机一般只用一个专门的时钟信号来进行定时。因此，现代计算机的时序信号就是时钟信号。

控制单元（Control Unit, CU）:

也称为控制部件或控制器。其作用是对指令进行译码，将译码结果和状态/标志信号和时序信号等进行组合，产生各种操作控制信号。这些控制信号被送到CPU内部或通过总线送到主存或I/O模块。送到CPU内部的控制信号用于控制CPU内部数据通路的执行，送到主存或I/O模块的信号控制CPU和主存或CPU和I/O模块之间的信息交换。控制单元是整个CPU的指挥控制中心，通过规定各部件在何时做什么动作来控制数据的流动，完成指令的执行。

执行部件（Execute Unit，EU ）:

也称为操作部件或功能部件，由控制部件CU发来的操作控制信号进行控制，以完成特定的功能。有两种类型的执行部件，一种是组合逻辑电路实现的，用于进行数据运算、数据传送等功能的部件，如：ALU、总线、扩展器、多路选择器等等；另一种是时序逻辑电路实现的，用于进行数据存储的部件，如：触发器、寄存器、存储器。

组合逻辑电路（Combinational logic circuit）:

简称组合电路。组合逻辑电路在逻辑功能上的特点是，任意时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关，所以，没有存储功能。

扩展器（Extension unit）:

将一个n位数扩展成2n位数的部件。一般有两种扩展方式："0"扩展和"符号"扩展。

“零”扩展（0-extend）:

高n位用"0"填充。例如，在MIPS指令系统中，一个16位的逻辑数需先进行"0"扩展，扩展为32位数后，在32位ALU中进行逻辑运算。"0"扩展可以看成是对无符号数的扩展，扩展前后数值不变。

“符号”扩展（Multiplexor）:

高n位用扩展前的n位数的符号位填充。例如，在MIPS指令系统中，Load/Store指令中的存储器地址偏移量需先进行"符号"扩展，将16位偏移量扩展为32位后，送到32位的ALU中，和基址进行加法运算。"符号"扩展可以看成是对有符号数扩展，扩展前后数值不变。

多路选择器（Multiplexor）:

也称数据选择器或多路复用器。它根据控制线路的设置，选择多个输入信号中的一个进行输出。

加法器（Adder）:

实现对两个输入进行相加运算的部件。可以通过对ALU的操作控制端固定设置为"加"操作来实现。

CPU总线（CPU Bus）:

在CPU内部的部件之间进行信息传输的信号线，一般大多数CPU总线的宽度等于数据通路的宽度，也有个别总线的宽度不等于数据通路的宽度。例如，MIPS指令中的立即数只有16位，所以从指令的立即数字段送到扩展器的信号只有16位，因而，这条总线的宽度就只有16位。

算术逻辑部件（Arithmetic Logic Unit, ALU）:

用来执行各种算术和逻辑运算的部件。有两个源输入端和一个结果输出端，并具有操作控制和低位进位输入端，以及输出结果是否为0等标志输出端。

时序逻辑电路（Sequential logic circuit）:

简称时序电路。时序逻辑电路在逻辑功能上的特点是，任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态，或者说，还与以前的输入有关。时序逻辑电路具有存储功能，能保存所存储的状态，因此，也称为状态元件（State element）。

定时方式（Clocking methodology）:

在时序电路中，定时方式规定了状态存储元件何时读出信号、何时写入信号。一般采用边沿触发的定时方式。

边沿触发（Edge-triggered）:

规定存储元件中的状态只允许在时钟跳变边沿改变。时钟信号的跳变有正跳变和负跳变两种。在时钟的上升沿进行的跳变为正跳变；在时钟的下降沿进行的跳变为负跳变。

寄存器堆（Register file）:

寄存器堆就是寄存器集合，所以也称为寄存器组RS（Register Set）。其中的寄存器可以通过给定相应的寄存器编号来进行读写。在指令中用编号标识寄存器。所以执行指令时，指令中的寄存器编号被送到一个地址译码器进行译码选中某个寄存器进行写入，读出时寄存器编号作为控制信号来控制一个多路选择器，选择相应的寄存器读出。RS实质上是CPU中暂时存放数据的地方，里面保存着那些等待处理的数据，或已经处理过的数据，CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器，可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限，寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途。

寄存器写信号（Register Write）:

寄存器堆中的寄存器是由触发器构成的，而触发器的输出状态的变化只能发生在时钟边沿，所以寄存器写控制信号在时钟边沿有效。时钟边沿到来时，事先稳定在输入端的数据开始向寄存器写入，经过一段时间延迟（这个延迟时间称为Click-to-Q）才能稳定地写入到寄存器，所以时钟边沿到来时，在寄存器输出端的数据还是上一个时钟周期内的老数据。

指令存储器（Instruction Memory）:

专门存放指令的存储器，也称为代码存储器（Code Memory）。实际上，现代计算机中，中央处理器内的一级Cache，采用数据Cache和代码Cache分离的方式，所以指令存储器实际上是处理器中的代码Cache。

数据存储器（Data Memory）:

专门存放数据的存储器。实际上，现代计算机中，中央处理器内的一级Cache，采用数据Cache和代码Cache分离的方式，所以数据存储器实际上是处理器中的数据Cache。

程序计数器（Program Counter）:

程序计数器（Program Counter，简称PC）又称指令计数器或指令指针，用来存放指令的地址，以便准确地指出后继指令的存储单元地址。通常程序是顺序执行的，程序的指令序列在内存中一般也是按连续地址存放的。在开始运行程序之前，总是将第一条指令的地址放入PC。当第一条指令被取出执行，控制器就使PC的内容自动增量（加“1”条指令的长度），指明下一条要执行的指令所存放的存储单元地址，以控制指令的顺序执行。在遇到需要改变程序执行顺序的情况时，一般由转移类指令将转移目标地址送往程序计数器，即可实现程序的转移。

指令寄存器（Instruction Register）:

指令寄存器（Instruction Register 简称IR）用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先从存储器取出指令，然后送至指令寄存器。指令寄存器中的操作码部分被送到指令译码器ID(Instruction Decoder)，经ID译码(识别这条指令的功能)后，送到操作控制单元CU，由CU对指令译码信号、状态标志信号、时序信号等进行组合，最终送出具体的操作控制信号。

指令译码器（Instruction Decoder）:

控制器中用来对指令的操作码进行译码的部件。在设计指令系统时，对每条功能不同的指令操作码进行了编码。所以，执行指令时，必须要有相应的译码线路对每个操作码进行译码解释。指令译码器的输入是指令操作码，输出结果用来和其他信号（如：时序信号、机器状态信号、指令结果标志信号等）一起组合生成控制信号。不同的指令译码结果生成不同的控制信息，规定执行部件做不同的动作。

控制信号（Control signal）:

也称为操作控制信号或微操作信号。控制单元对指令进行译码，将译码结果和状态/标志信号、时序信号等进行组合，产生各种操作控制信号。这些控制信号被送到CPU内部或通过总线送到主存或I/O模块。送到CPU内部的控制信号用于控制CPU内部数据通路的执行，送到主存或I/O模块的信号控制CPU和主存或CPU和I/O模块之间的信息交换。

时钟周期（Clock Cycle）:

现代计算机的CPU采用时钟信号进行定时控制。若采用时钟边沿触发，则只有时钟的上升沿或下降沿才是有效信号，此时，才能把一个新的值写到一个状态单元中。所以CPU的时钟周期应该为所有相邻状态单元之间的组合逻辑电路中最长的延时作为时钟周期，以保证在一个时钟周期内所有的组合电路能完成必要的数据处理工作，在下个时钟到来时，存储在状态单元中。

主频（CPU Clock Rate/Frequency）:

CPU的主频就是CPU时钟周期的倒数。

分支条件满足（Branch taken）:

对于条件转移指令（即：分支指令Branch），其执行结果总有两种可能性（即：两个分支或两条执行路径）：一种是条件满足（称为“Branch taken”），此时转到转移目的地址处继续执行；另一种是条件不满足（称为“Branch not taken”），此时则继续取下条指令执行。

转移目标地址（Branch target address）:

对于转移指令（包括条件转移指令、无条件转移指令、转子指令等），其指令中给出目标地址，称为转移目标地址。数据通路中必须要有相应的部件能够计算转移目标地址，并根据情况选择送到PC中作为下一条执行指令的地址。

硬布线控制器（Hardwared control）:

用组合逻辑方式进行设计、门电路来实现的控制器，也称为硬连线路控制器。在多周期数据通路中，一条指令的执行分多个阶段进行，每个阶段在一个时钟周期内完成，如果把每个阶段涉及到的控制信号组合看成是一个状态，则一个阶段转移到下一个阶段，就可以看成是状态之间的转换，因此，所有指令的执行过程就可以用一个有限状态机来描述，控制器的功能就是实现这个有限状态机。因此，这种控制器设计方式，也称为有限状态机方式，实现的控制器称为有限状态机控制器。它的优点是速度快，适合于实现简单或规整的指令系统。但是，因为它是一个多输入/多输出的巨大的逻辑网络，所以，对于复杂的指令系统来说，其结构庞杂，实现困难，修改、维护不易，灵活性差。

微程序控制器（Microprogrammed control）:

采用微程序设计方式实现的控制器称为微程序控制器。微程序设计的基本思想是，仿照程序设计的方法编制每个机器指令对应的微程序，每个微程序由若干条微指令构成，每条微指令就是有限状态机中对应的一个状态，即：若干控制信号的集合，所以每个微指令包含若干条微命令，这些微命令即是控制信号。所有指令对应的微指令序列都放在只读存储器中（也可以用一个PLA实现）。当执行到某条指令时，取出对应的各条微指令，译码产生对应的微命令（即：控制信号），送到机器相应的地方，控制其动作。这个只读存储器称为控制存储器（Control Storage），简称控存CS。

微代码（Microcode）:

通常把事先存放在控制存储器CS中的微程序代码（即：每个控存单元中的0/1序列）称为微代码或微码。

微指令（Microinstruction）:

微指令和微代码的含义实际上是一样的，只是同一个概念从不同的角度来讲而已。控存中每个单元存放一条微指令，对应于有限状态机中的一个状态，每条微指令在一个时钟周期内完成。“微指令”与程序设计中“指令”的概念类似，也涉及到格式和顺序控制等的问题。

微程序（Microprogram）:

类似于程序设计中的“程序”的概念，程序用于实现某个特定的算法功能，而微程序用于实现机器的指令；程序由若干指令构成，而微程序由若干条微指令构成；程序存放在内存中，而微程序存放在控制存储器中。

固件（Firmware）:

一般把写入EAROM或EPROM等只读存储器中的程序称为固件，最初把固化在只读存储器的微程序称为固件，表示用软件实现的硬部件，现在对固件通俗的理解就是在ROM中“固化的软件”。它是固化在集成电路内部的程序代码，负责控制和协调集成电路的功能。

中断过程（Interrupt Processing）:

中断过程是一个正常执行的程序被打断的过程。指在程序正常执行过程中，CPU遇到一些异常情况无法继续执行当前指令，或者，外部设备发生一些特殊事件请求CPU处理。此时，CPU中止原来正在执行的程序，转到处理异常情况或特殊事件的处理程序去执行，执行后再返回到原被中止的程序继续执行。中断过程的起因主要有来自处理器内部的“异常”和来自处理器外部的“中断”两种。

异常（Exception）:

在CPU执行某条指令时发生的一些特殊的非正常事件（如：缺页、溢出、除数为0、非法操作码等）都称为是一种指令异常。它是来自处理器内部的意外事件，和执行指令同步发生。也称为“内部异常”或“内中断”或“程序性中断”，它又可以细分为三类：故障、自陷、中止。

故障（fault）:

在执行某条指令时，可能发生一些特殊的“异常事件”，如：缺页、溢出、除数为0、非法操作码等，使当前指令无法继续执行。此时CPU只能中止原程序的执行，转到处理相应情况的程序去执行，处理完后，再回到发生异常的指令继续执行。这种情况，称为失效或故障（fault），是由正在执行的指令产生的。

自陷（Trap）:

自陷是人为设定的事件，在程序中事先设定一条特殊的指令，通过执行这条特殊指令，自动中止正在执行的原程序，转到一个特定的内核管理程序去执行，执行完后，回到那条特殊指令后面的一条指令开始执行。称为自愿中断或自陷(Trap)。这条特殊的指令称为 “访管指令”（访问管理程序）或“自陷指令”（自动调入陷阱），如80x86中的指令“INT n”。

终止（Abort）:

既不是外部设备发出的中断请求，也不是指令本身产生的异常情况或自愿中断，而是在执行指令过程中发生了硬件故障，如，电源掉电，线路故障等，无法继续执行。这类异常是随机发生的，对引起异常的指令的确切位置无法确定，出现这类严重错误时，原程序无法继续执行，只好终止，而由中断服务程序重新启动操作系统。

内部异常（Internal Exception）:

通常把故障(fault)、自陷(Trap)和终止(Abort)统称为内部异常，也称为异常、程序性中断、软中断、内中断。它们都是在执行特定的指令时发生的，不需要通过外部中断请求线进行中断请求。

中断（Interrupt）:

在程序执行过程中，若外设完成任务或发生某些特殊事件（如：打印机缺纸、定时采样计数时间到、键盘缓冲满等），会向CPU发中断请求，要求CPU对这些情况进行处理。处理完后，回到原被中断的断点处继续执行。这种情况也被称为I/O中断（I/O Interrupt）。特指由CPU外部的I/O设备向CPU发的中断请求。它与执行的指令无关，是异步发生的事件。因此，也称为“外部中断”。

中断服务程序（Interrupt Handler）:

也称为中断处理程序，异常处理程序等。当CPU发现中断或异常时，就会把当前正在执行的用户程序停下来，调出处理异常或中断的程序来执行，这个程序就是中断服务程序。中断服务程序属于操作系统内核部分，所以，发生中断或异常时，CPU的状态要从用户态（即：执行用户程序的状态，也称为目态）切换到管理态（即：执行操作系统管理程序，也称为管态）。

异常程序计数器EPC（Exception PC）:

行波进位加法器也称为串行进位加法器，它通过n个全加器按照串行方式连起来实现。进位方式采用行波进位方式。

Cause寄存器（Cause register）:

CPU中用于记录异常或中断类型的状态寄存器。每一位的含义应事先规定，例如：第1位为1则表示出现了“溢出”异常，第二位为1则表示出现了“非法指令”，第三位为1则是“缺页”，等等。在外部接口（如中断控制器）中也有类似的状态寄存器，用以记录中断请求的类型，一般称为中断请求寄存器。

中断允许触发器（Interrupt Enable Register）:

在CPU中用来设置中断允许/中断禁止状态的触发器。关中断时，中断允许触发器被设置为0，表示不允许响应中断。开中断时，中断允许触发器被设置为1，表示允许响应中断。

关中断（Interrupt OFF）:

将中断允许触发器设置为0的操作，表示不允许响应中断。

开中断（Interrupt ON）:

将中断允许触发器设置为1的操作，表示允许响应中断。

中断响应（Interrupt Response）:

是指CPU发现有中断请求到取出中断服务程序的入口地址准备执行中断服务程序的过程。CPU总是在一条指令执行完、取下条指令之前去查询有无中断请求。如果此时是开中断状态，并有未被屏蔽的中断请求发生，则CPU自动执行一条隐指令，进入中断响应机器周期，完成关中断、保护断点、取中断向量三个操作。

向量中断（vector Address）:

中断向量表或中断向量跳转表中每个表项所在的内存地址，称为向量地址。

中断向量表（Interrupt vector table）:

所有中断（包括异常）的中断服务程序入口地址构成一个表，称为中断向量表；也有的机器把中断服务程序入口的跳转指令构成一张表，称为中断向量跳转表。

向量地址（vector Address）:

中断向量表或中断向量跳转表中每个表项所在的内存地址，称为向量地址。

中断类型号（Interrupt number）:

中断向量表或中断向量跳转表中每个表项所在的表项索引值，称为中断类型号。