中央处理器

2009/9第5章中央处理器Page25.1CPU功能和组成指令控制程序是一个指令序列，必须严格按程序规定的顺序进行。操作控制1.CPU的功能CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。时间控制对各种操作实施时间上的定时称为时间控制。数据加工对数据加工就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。Page35.1CPU功能和组成基本部分由运算器、cache和控制器三大部分组成。控制器2.CPU的基本组成由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器、时序产生器和操作控制组成。运算器由算术逻辑运算单元(ALU)、通用寄存器、数据缓冲寄存器(DR)和状态条件寄存器(PSW)组成。Page4Page55.1CPU功能和组成控制器的主要功能：(1)从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置；(2)对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；(3)指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。运算器的主要功能：算术运算和逻辑运算。Page65.1CPU功能和组成六个必不可少的寄存器(1)数据缓冲寄存器（DR）3.CPU中的寄存器(2)指令寄存器（IR）(3)程序计数器（PC）(4)数据地址寄存器（AR）(5)通用寄存器（R0-R3）(6)状态字寄存器（PSW）Page75.1CPU功能和组成暂存结果、接收存储器或处部接口的数据字。功能：(1)数据缓冲寄存器（DR）☺ALU运算结果和通用寄存器之间的缓冲。☺补偿CPU和内存、外围设备速度差别。保存当前正在执行的一条指令。(2)指令寄存器（IR）内存/cacheDRIR指令译码器相应操作控制器Page85.1CPU功能和组成确定下一条指令的地址。(3)程序计数器（PC）/指令计数器☺程序执行，第一条指令所在的内存单元地址送入PC。☺执行时，CPU自动修改PC内容，保持下一条地址。保存当前CPU所访问的内存单元地址。(4)数据地址寄存器（AR）由于速度差别，使用AR保持地址信息，直到内存。Page95.1CPU功能和组成又称累加寄存器（AC）(5)通用寄存器☺暂时存放ALU运算的结果信息。保存指令运行或结果建立的各种条件码内容。(6)状态字寄存器（PSW）☺如运算结果进位标志C、溢出标志V、结果为零标志Z和结果为负标志N。Page105.2指令周期计算机工作是因CPU从内存中不断取指、执行至遇到停机指令。1.基本概念Page115.2指令周期指令周期：取出并执行一条指令的时间，各指令的周期各不相同。CPU周期（机器周期）：从内存中读取一个指令字的最短时间。时钟周期(节拍脉冲或T周期)：一个CPU周期包含若干个时钟周期。Page125.2指令周期六条典型指令组成的一个简单程序：//程序执行前(R0)=00,(R1)=10,(R2)=20,(R3)=30地址指令助记符说明101MOVR0,R11.传送指令MOV执行(R1)-R0102LADR1,62.LAD从６号单元取数(100)-R1103ADDR1,R23.执行(R1)+(R2)-R2,(R2)=120104STOR2,(R3)4.STO用(R3)间接寻址,120写入30号单元105JMP1015.转移执行顺序到101单元106ANDR1,R36.逻辑乘AND指令执行(R1)·(R3)-(R3)Page135.2指令周期第一条指令：MOVR0,R1Page14①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（OP）被译码；⑥CPU识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。Page155.2.2MOV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DBUS④OC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。Page165.2指令周期第二条指令：LADR1,6Page17①操作控制器OC发出控制命令，直接地址码6放在DBUS上②OC发出命令，将地址码6装入数存地址AR③OC发出命令，将数存6号单元的数100读到DBUS上④OC发出命令，将DBUS上的数据装入缓冲寄存器DR⑤OC发出命令，将DR中数100装入R1，原来的数10被冲掉。至些结束Page185.2指令周期第三条指令：ADDR1,R2Page19①操作控制器OC发出控制命令，R1为源寄存器，R2为目标寄存器。②OC发出命令到ALU，指定做加法运算。③OC发出命令，运算结果120放到DBUS上。④OC发出命令，将DBUS上的数据装入缓冲寄存器DR⑤OC发出命令，将DR中数120装入R2，原来的数20被冲掉。至些结束Page205.2指令周期第四条指令：STOR2,(R3)Page21①操作控制器OC发出控制命令，选(R3)=30做数据存储器的地址单元。②OC发出操作命令，不经ALU将地址30放到DBUS上。③OC发出操作命令，将地址30打入AR，并进行数存地址译码。④OC发出命令到通用寄存器，选择（R2）=120，做为数存的写入数据。⑤OC发出命令，将数据120放在DBUS上。⑥OC发出操作命令，将数据120写入数存30号单元，原数40被冲掉。至此结束。Page225.2指令周期第五条指令：JMP101Page23①OC发生操作控制命令，将IR的地址码101发送到DBUS上；②OC发出操作命令，将DBUS上的地址码101打入到程序计数器PC中。结束Page245.2指令周期方框——按CPU周期2.方框图语言表示指令周期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Page255.2指令周期Page265.2指令周期例：双总线结构机器的数据通路Page27“ADDR2,R0”指令完成(R0)+(R2)R0,画出指令周期流程图，假该指令的地址已放入PC中。并列出相应的微操作控制信号序列。“SUBR1,R3”指令完成(R3)-(R1)R3,画出指令周期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。Page28Page295.2指令周期一条指令包括一个取指周期和一个及以上的执行周期组成小结：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。Page305.3时序产生器和控制方式1.时序产生器作用和体制CPU如何知道从内存中取出的是指令还是数据呢？时间约束的重要性？思考时间：取指周期还是执行周期空间：指令寄存器还是运算器时序信号：CPU取指、执行指令时，操作控制器利用定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，条理指挥机器的动作。Page315.3时序产生器和控制方式时序信号基本体制：电位_脉冲制数据加在触发器的电位输入端控制信号加在触发器的时钟输入端硬布线控制器采用“主状态周期-节拍电位-节拍脉冲”三级体制。一个节拍电位表示一个CPU周期，包含若干节拍脉冲（时钟周期）主状态周期包含若干节拍电位，用触发器的状态持续时间来表示微程序控制器采用“节拍电位-节拍脉冲”三级体制。只有一个节拍电位，节拍电位又包含若干节拍脉冲。Page325.3时序产生器和控制方式硬布线控制器时序信号产生电路复杂Page335.3时序产生器和控制方式微程序控制器时序信号产生电路简单Page345.3时序产生器和控制方式2.时序信号产生器功能：产生时序信号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Page355.3时序产生器和控制方式2.时序信号产生器Page365.3时序产生器和控制方式时钟源提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。由石英晶体振荡器和与非门组成的正反振荡电路。环形脉冲发生器产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列，为后期译码服务。Page37Page38C4C1C2C3ΦPage395.3时序产生器和控制方式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）10430332022101..CTCTCCTCCTPage40Page415.3时序产生器和控制方式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。Page425.3时序产生器和控制方式3.控制方式指令周期由若干CPU周期组成，对于CPU周期也有操作控制信号多少和出现的先后问题，每条指令各不相同，如何控制不同操作的序列时序信号。同步控制异步控制联合控制Page435.3时序产生器和控制方式同步控制已定指令的机器周期和时钟周期固定不变。(1)统一机器周期相同的节拍电位（CPU周期）和相同的节拍脉冲（时钟周期）。(2)不定长机器周期大多数安排在一个较短机器周期内完成。某些时间紧张的操作采取延长机器周期办法。(3)中央控制与局部结合大部分指令在固定机器周期完成复杂的采用另外的时序进行定时。Page445.3时序产生器和控制方式异步控制每条指令，每个操作信号需要多少占用多少。应答信号（握手）联合控制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）Page455.4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。Page46微命令(控制序列的最小单位)控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。例如：打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器的打入脉冲等。微操作(与微命令一一对应）执行部件接受微命令后所进行的操作。分为相容性和相斥性两种。5.4微程序控制器1.微程序控制原理Page47相容性的微操作能够同时或在同一个节拍内并行执行的微操作。必须各占一位。相斥性的微操作不能同时或不能在同一个节拍内并行执行的微操作。5.4微程序控制器Page48Page495.4微程序控制器微指令在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合。微程序实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。即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。•微地址：存放微指令的控制存储器的单元地址Page505.4微程序控制器Page515.4微程序控制器示例：“十进制加法”指令(微程序控制的过程)第一条微指令的二进制编码是00000000000011111100000第二条微指令的二进制编码是01010010010000000001001第三条微指令的二进制编码是01000100110000000010000第四条微指令的二进制编码是01000100100100000000000Page525.4微程序控制器Page535.4微程序控制器微程序控制器：由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三部分组成。微指令寄存器Page545.4微程序控制器微程序控制器：由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三部分组成