第6章 中央处理部件CPU(1)

1第6章中央处理部件CPUCPU的结构与功能计算机的硬件系统控制器的组成微程序控制技术硬布线控制技术流水线技术返回2中央处理部件CPUCPU：中央处理部件，是将运算器与控制器集成在一个芯片上制成的微处理器。当前，微处理器芯片已从16位，32位发展到64位结构。3CPU应具备的基本功能取指令（fetchinstructions)解释指令(interpretinstructions)取数据(fetchdata)处理数据(processdata)写数据(writedata)控制程序的执行对程序执行中出现的异常情况进行处理4CPU内部组织框图内部CPU总线：internalCPUbus寄存器组：用户可见寄存器，控制/状态寄存器返回5Intel80386微机系统时钟发生器80287/803878038682258DMA控制器总线控制逻辑总线控制逻辑准备好制逻辑8259A中断控制器存储器输入/输出设备Reset中断设备CLKCLK2BUS680386中控制和状态寄存器程序计数器（PC）指令寄存器（IR）存储器地址寄存器（MAR）存储器缓冲寄存器（MBR）PSW（程序状态字）符号（sign）零（zero）进位（carry）…….7其它微处理器中的寄存器举例880386结构及外部连线D0-D31数据总线CLK2ADS#NA#BS16#READY#HOLDHLDAINTRNMIRESET控制总线总线仲裁中断A2-A31地址总线BE3#BE2#BE1#BE0#W/R#D/C#M/IO#LOCK#PEREQBUSY#ERROR#VccGND字节使能32位地址总线周期定义协处理器信号电源i80386时钟返回9CPU对指令/数据的识别指令和数据均存放在内存中，CPU如何从时间和空间上区分它们是指令还是数据？从时间上讲，取指令事件发生在“取指周期”，取数据事件发生在“执行周期”。从空间上讲，从内存读出指令流流向控制器(指令寄存器)。从内存读出数据流流向运算器(通用寄存器)。10控制器的功能及组成控制器的功能：取指令分析指令执行指令控制程序和数据的输入与结果的输出对异常情况和某些请求进行处理控制器的组成：程序计数器（PC）指令寄存器（IR）指令译码器（I-decoder）脉冲源和启停线路时序控制信号形成部件11控制器基本组成框图12组成控制器的基本电路有记忆功能的触发器、寄存器、计数器、存储单元。例如：74LS181、74LS373、74LS377无记忆的门电路74LS00（与非门）、74LS04（反相器）13指令执行过程剖析例：有一控制器，内部结构及控制操作信号如下图所示。有8个通用寄存器GR及一个ALU，并有4个记忆运算结果的状态标志触发器N（负）、Z（零）、V（溢出）、C（进位），指令格式如下：rs,rd,rs1为通用寄存器地址。imm(或disp)为立即数或偏移量。OPcoders,rdrs1imm（或disp）14带控制逻辑的运算器框图15加法：(rs)+((rs1)+disp)=rd从M中取指=IR:(PC)-AB;(PC)+1=PC;ADS#,W/R#,M/IO#,(Ready#,)DB-IR.计算操作数地址，将得到的有效地址=AR:(rs1)-GR,(rs1)-ALU,disp-ALU,”+”,ALU-AR取操作数：AR-AB,ADS#,W/R#,M/IO#,(Ready#,)DB-DR;做加法：(rs)-GR,(rs)-ALU,DR-ALU;”+”,rd-GR,ALU-rd,置运算结果N，Z，V，C。取指计算地址取数运算送结果t1t2t3t4016加法指令执行的时序ADS#的电平正好相反17控制信号的产生微操作（Micro-operations）：指令周期-子周期-一组操作控制信号。所谓微操作就是指由控制器控制所完成的一个基本操作。指令寄存器控制器标志…..时钟CPU内部控制信号至系统总线的控制信号系统控制总线18时序与节拍信号源-时钟信号-时序信号-节拍脉冲时序信号+控制信号=打入脉冲例如：QQCPDCLKQQCPDT1CLK2T2CP-T119打入脉冲的形成与逻辑DB-IRCPCP-IR指令寄存器打入脉冲与逻辑PC+1CPCP-PC程序寄存器打入脉冲与逻辑ADS#T1ADS#’访问存储器T1周期打入脉冲20续前CLK2/CLK2CLKT1T2CP打入脉冲T1节拍T2节拍机器主频21电路配合中的常见问题电路延迟引起的波形畸变机器周期的确定时钟脉冲CLK和工作脉冲CP的标准22电路延迟引起波形畸变—产生毛刺23机器周期的确定（机器周期直接影响机器的速度）--CPU与不同存储器配合工作的方法:•通过插入T2周期，达到速度匹配。24时钟脉冲CLK和工作脉冲CP的标准性（脉冲宽度和脉冲到达时间）当CP来时A-B,B-C不能保证同步能保证同步25作业P234：1，2返回26返回