第六章 中央处理部件CPU

第六章中央处理部件CPU——重点放在CPU中的控制器部件上CPU的组成与功能CPU的主要组成：控制器和运算器CPU的功能：指令控制、操作控制、时序控制、数据加工。CPU中的主要寄存器：专用寄存器：程序计数器PC、指令寄存器IR、数据寄存器DR、地址寄存器AR、状态寄存器、通用寄存器组GPR：控制器的组成与功能控制器的组成：1.指令部件：包括PC、IR、指令译码器、地址形成部件等。2.时序部件：包括脉冲源、启停控制逻辑、节拍信号发生器等。3.微操作信号发生器（时序控制信号形成部件）：4.中断控制逻辑：控制器的功能：指令控制、操作控制、时序控制控制器的核心——微操作信号发生器微操作信号发生器的主要输入信号：（1）时序信号：（2）指令译码器输出结果：（3）标志：（4）来自系统总线的控制信号主要输出信号：（1）CPU内的控制信号：（2）到控制总线的控制信号：控制器基本组成框图操作码地址码程序计数器指令译码器时序控制信号形成部件启停线路脉冲源存储器I/O状态寄存器运算器IR数据总线DB地址总线AB控制总线CBCLKreset指令+1指令的机器周期一条指令从读取到执行完的全部时间称为指令周期。每个指令周期中采用机器周期、节拍、工作脉冲三级时序系统。不同类型指令所需的机器周期数可能不同，一条指令至少需要两个机器周期。几个常见的机器周期：（1）取指周期：（2）取源操作数周期（3）取目的操作数周期（4）执行周期（5）中断周期（6）DMA周期加法指令执行过程举例格式：功能：其中rs、rd、rs1为通用寄存器地址；disp为位移量。ADDrsrdrs1disp()rs+()()rs1+disprd加法指令完成的操作及控制器发出的控制信号：1.操作：从存储器取指令，送入指令寄存器，并进行操作码译码。信号：2.操作：计算数据地址，将计算得到的有效地址送地址寄存器AR。信号：3.操作：到存储器取数。信号：4.操作：进行加法运算，结果送寄存器，并根据运算结果置状态位NZVC。信号：1PC；IRDB；1IOM/，0RW/ADSABPC，；ARALU”“ALUdisp，ALU(rs1)，GRrs1；；DRDB；1IOM/，0RW/，ADSABAR；NZVCGALU，GRrd”“ALUDR，ALU(rs)，GRrs置；；R指令微操作序列的安排控制器在实现一条指令的功能时，总要把每条指令分解为一系列时间上先后有序的最基本、最简单的微操作，即微操作序列。指令操作流程与相应微操作序列的安排，主要取决于数据通路的结构，不同的数据通路有不同的微操作序列。程序计数器指令译码器时序控制信号形成部件启停线路脉冲源存储器IR数据总线DB地址总线AB控制总线CBCLK2指令PC+1节拍及工作时钟脉冲ADDrsrdrs1disp通用寄存器GRALUARDRNZVCPCABADS,W/R,M/IODBIRrs1GR(rs1)ALUdispALU+ALUARARABADS,W/R,M/IODBDRrsGR(rs)ALUDRALU+rdGRALUrdresetCLKT1T2CP加法指令执行过程中某些控制信号时序图：T1T1T1T2T2T2取指计算地址取数T1T2加法运算CLK2CLKPCAB，DBIR，PC+1ARAB，DBDR执行指令要解决的问题控制信号如何产生？——一般有微程序控制和硬布线控制两种方法节拍和工作脉冲如何产生？微程序控制计算机的基本工作原理基本概念微操作：在计算机中，一条指令的功能是通过按一定次序执行一系列最基本操作完成的，这些最基本操作称为微操作。微指令：在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。微程序：微指令序列的集合。控制存储器：存放微程序的存储器。执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。微程序流程图举例取指微指令计算地址微指令计算地址微指令计算地址微指令取数微指令取数微指令加法运算微指令减法运算微指令加法指令减法指令转移指令微指令的组成1.控制字段：产生控制信号，每个控制信号用一个控制位来表示。控制字段各位的输出通过连接线直接与受控制的门相连。2.下址字段：下一条微指令的地址。微程序控制器简框图操作码地址码指令译码控制存储器控制字段下址指令寄存器形成本条指令的微程序入口地址微指令寄存器…时序信号及工作脉冲的形成01DC01DCCLK2CLKT2T1CP–T1打入脉冲的形成：详见178页。例:微指令寄存器的打入脉冲(可直接用CP);程序计数器的打入脉冲CP–PC；指令寄存器的打入脉冲CP–IR；电路配合中的常见问题（1）电路延迟引起的波形畸变（2）机器周期的确定微程序控制计算机的工作过程简单总结详见182页。微程序设计技术微指令的编译法：1.直接控制法2.字段直接编译法3.字段间接编译法4.常数源字段E5.其他微程序流的控制：1.以增量方式产生后继微地址2.增量与下址字段结合产生后继微地址3.多路转移方式4.微中断微指令格式：1.水平型微指令2.垂直型微指令微程序控制存储器和动态微程序设计微程序控制存储器动态微程序设计控制存储器的操作练习书本229页6.5、6.6题硬布线控制的计算机时序与节拍：问题：如何区分一条指令的各个机器周期？操作控制信号的产生：1.操作码译码器2.操作控制信号的产生操作码地址码译码器组合逻辑电路启停线路脉冲源CLK2节拍及工作时钟脉冲CLKT1T2CP机器周期状态……操作控制信号cy1cy2cy3cy4控制器的组成硬布线控制逻辑设计中的若干问题硬布线控制与微程序控制的比较控制器的控制方式同步控制方式异步控制方式联合控制方式人工控制方式练习书本230页6.15、6.16题注：主频、外频、倍频、分频、超外频、超主频主频——CPU的时钟频率。外频——系统的时钟频率。流水线基本工作原理假设单条指令的执行顺序多条指令的流水线执行顺序具体详见211页取指计算地址取操作数计算存结果取指计算地址取操作数计算存结果取指计算地址取操作数计算存结果取指计算地址取操作数计算存结果…练习书本230页6.10，6.11，6.17题