83中央处理器

1第五章中央处理器返回2第五章中央处理器5.1CPU功能和组成5.2指令周期5.3时序产生器5.4微程序控制器及其设计5.5硬布线控制器及其设计5.6传统CPU5.7流水CPU5.8RISC的CPU5.9多媒体CPU35.1CPU的功能和组成1、CPU的功能指令控制（程序的顺序控制）操作控制（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（算术运算和逻辑运算）执行指令取指令操作控制、时间控制42、CPU的基本组成RD/WRLDDRLDIRLDPCLDARPC+152、CPU的基本组成（1）中央处理器CPU=运算器+控制器（2）运算器ALU累加器暂存器62、CPU的基本组成（3）控制器控制器组成：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(ProgrammingCounter)用来存放正在执行的指令的地址或接着将要执行的下一条指令的地址。顺序执行时，每执行一条指令，PC的值应加1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PC，可实现程序的转移。指令寄存器IR(InstructionRegister)指令寄存器用来存放从存储器中取出的待执行的指令。在执行该指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化，以保证实现指令的全部功能。72、CPU的基本组成指令译码器ID(InstructionDecoder)暂存在指令寄存器中的指令只有在其操作码部分经译码后才能识别出是一条什么样的指令。译码器经过对指令进行分析和解释，产生相应的控制信号提供给时序控制信号形成部件。机器周期、工作节拍、脉冲及启停控制线路由脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲时序控制信号形成部件时序控制信号形成部件又称微操作信号发生器，真正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的。82、CPU的基本组成地址形成部件根据指令的不同寻址方式，用来形成操作数的有效地址功能就是指令流出的控制，实质上就是对取指令的控制。指令分析与执行的控制，对指令流中的每条指令进行分析解释，根据指令的操作性质和寻址方式形成操作数的地址，然后根据该操作数的地址找到相应的存储单元，并从中取出指令执行过程中要用到的操作数，最后还要形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器及输入／输出设备的动作，来实现这条指令的功能。指令流向的控制，指令流向的控制即下条指令地址的形成控制。数据缓冲器、状态条件寄存器93、CPU中的主要寄存器DR缓冲寄存器/地址寄存器AR中转站补偿速度差别IR指令寄存器PC程序计数器AC内存或I/O指令数据DR指令数据104、操作控制器和时序产生器（1）数据通路（2）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，主要有三种类型：组合类型存储类型混合类型114、操作控制器和时序产生器硬布线控制器硬布线控制器，它是采用组合逻辑技术来实现的，其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组合逻辑控制器的最大优点是速度快，但是时序控制信号形成部件的结构不规整，使得设计、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。124、操作控制器和时序产生器微程序控制器微程序控制器是采用存储逻辑来实现的，也就是把微操作信号代码化，使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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，已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。134、操作控制器和时序产生器时序产生器：提供定时和时序信号14155.2指令周期5.2.1指令周期的基本概念5.2.2典型指令的指令周期5.2.3用方框图语言表示指令周期165.2指令周期175.2.1指令周期的基本概念概念指令周期：指取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间。各种指令的指令周期相同吗？为什么？机器周期通常又称CPU周期，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。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不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。一个机器周期中，包含若干个机器周期（节拍脉冲或T脉冲）。CPU周期规定，不同的计算机中规定不同185.2.1指令周期的基本概念时钟周期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。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。节拍常用具有一定宽度的电位节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的时间，如：ALU完成一次正确的运算，寄存器间的一次数据传送等。195.2.1指令周期的基本概念205.2.2指令周期下面我们用一个模型机来介绍指令周期概念主要包括：取指（令）周期、（指令）执行周期执行过程：框架原理21225.2.2MOV指令的指令周期取指周期执行周期235.2.2MOV指令的指令周期-取指①程序计数器PC中装入第一条指令地址101（八进制）；②PC的内容被放到指令地址总线ABUS（I）上，对指存进行译码，并启动读命令；③从101号地址读出的MOV指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器IR；④程序计数器内容加1，变成102，为取下一条指令做好准备；⑤指令寄存器中的操作码（OP⑥CPU识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。WR/RD245.2.2MOV指令的指令周期-执行①操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作源寄存器，选择R0②OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作；③OC送出控制信号，打开ALU输出三态门，将ALU输出送到数据总线DBUS上。注意，任何时候DBUS上只能有一个数据。④OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）；⑤OC送出控制信号，将DR中的数据10打入到目标寄存器R0，R0的内容由00变为10。至此，MOV指令执行结束。255.2.3LAD指令的指令周期取指周期执行周期265.2.3LAD指令的指令周期275.2.5ADD指令的指令周期285.2.5ADD指令的指令周期295.2.5STO指令的指令周期305.2.5STO指令的指令周期315.2.6JMP指令的指令周期325.2.6JMP指令的指令周期335.2.7用方框图语言表示的指令周期引入目的主要是为了教学目的（控制器设计）方法：指令系统设计（模型机的五指令系统）方框——按CPU周期方框内内容——数据通路操作或控制操作菱形符号——判别或测试~——公操作前边所讲述的5种操作的框图描述345.2.7方框图表示指令周期取指执行355.2.7方框图表示指令周期P139例1双总线结构机器的数据通路图微操作信号微操作信号36注意微操作控制信号（右边）ALU0ALU037总结：一条指令包括一个取指令周期和一个及一个以上的执行周期组成在每个CPU周期中数据通路是明确的数据通路的建立及操作受到操作控制器的控制，当然决定于是什么指令。385.3时序产生器和控制方式5.3.1时序产生器作用和体制5.3.2时序信号产生器5.3.3控制方式395.3.1、时序产生器作用和体制1.作用：CPU中的控制器用它指挥机器的工作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（取指）还是数据（执行）一个CPU周期中时钟脉冲对CPU的动作有严格的约束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。405.3.1、时序产生器作用和体制2.体制组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号的基本体制是电位—脉冲制（以触发器为例）D为电位输入端，CP（ClockPulse）为脉冲输入端R,S为电位输入端特性方程如下D=0时，CP上升沿到来时，D触发器状态置0D=1时，CP上升沿到来时，D触发器状态置1415.3.1、时序产生器作用和体制425.3.1、时序产生器作用和体制硬布线控制器，采用主状态周期—节拍电位—节拍脉冲三级体制时序信号产生电路复杂435.3.1、时序产生器作用和体制微程序控制器，节拍电位—节拍脉冲二级体制利用微程序顺序执行来实现微操作时序信号产生电路简单445.3.2、时序信号产生器1.功能：产生时序信号各型计算机产生时序电路不相同大、中型计算机的时序电路复杂，微型计算机的时序电路简单2.构成：时钟源环形脉冲发生器节拍脉冲和读写时序译码逻辑启停控制逻辑45一、时钟脉冲源电路左边是振荡电路，右边是整形电路，左边的电路产生接近正弦波的波形，右边非门则将其整形为一个理想的方波11RC1C246二、环形脉冲发生器作用：产生一组有序间隔相等或不等的脉冲序列毛刺产生原因：电路内部原因以及寄存器参数的影响，避免方法：采用循环移位寄存器电路分析：S为置位端，R为复位端SRDCPQQ47三、环形脉冲发生器48三、环形脉冲发生器C4C1C2C3Φ49四、节拍脉冲和读/写时序的编码节拍脉冲的译码逻辑（一个CPU周期包含4个等间隔的节拍脉冲）思考：假设一个CPU周期包含5个等间隔的节拍脉冲，环型脉冲发生电路怎样改进？译码逻辑有什么变化？10430332022101..CTCTCCTCCT50四、节拍脉冲和读/写时序的编码读写时序信号的译码逻辑表达式以上带’的表示信号来自微程序控制器，持续一个CPU周期读写时序信号受到控制的信号，而节拍脉冲信号时计算机加上电源后就产生。DRCRD2EWCWE2QMRECMREQ2QIORCIORQ25152五、启停控制逻辑•启动、停机是随机的，对读/写时序信号也需要由启停逻辑加以控制。•当运行触发器为“1”时，打开时序电路。当计算机启动时，一定要从第1个节拍脉冲前沿开始工作。•当运行触发器“0”时，关闭时序产生器。停机时一定要在第4个节拍脉冲结束后关闭时序产生器。535.3.3控制方式机器指令所包含的CPU周期数反映了指令的复杂程度，不同CPU周期的操作信号的数目和出现的先后次序也不相同。控制方式：控制不同操作序列时序信号的方法。分为以下几种：同步控制方式异步控制方式联合控制方式545.3.3控制方式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采用不定长机器周期中央控制于局部控制的结合异步控制方式每条指令需要多长时间就占多长时间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）555.4微程序控制器发展微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的M·V·Wilkes教授于1951年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的，当时还没有合适的存放微程序的控制存储器的元件。到1964年，IBM公司在IBM360系列机上成功地采用了微程序设计技术。20世纪70年代以来，由于VLSI技术的发展，推动了微程序设计技术的发展和应用。目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技术。565.4微程序控制器基本思想：仿照解题的方法，把操作控制信号编制成微指令，存放到控制存储器里，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。从上述可以看出，微程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。575.4