组成原理演示文稿 第五章 CPU part2

12013.3.11计算机学院计算机组成原理第五章中央处理器北京邮电大学计算机学院戴志涛PrincipleofComputerOrganizationCPU第二部分22013.3.11计算机学院本章内容CPU的组成和功能指令周期时序发生器和时序控制方式微程序控制器与微程序设计技术硬布线控制器CPU实例流水技术与流水CPU3时序发生器和时序控制方式计算机学院计算机学院第五章中央处理机42013.3.11计算机学院控制器的控制方式控制方式：控制序列的时序信号的形成方式时序信号的定时方式常用的控制方式：同步控制异步控制联合控制52013.3.11计算机学院同步控制方式同步：时钟任何指令的执行或指令中每个微操作的执行都受事先确定的时序信号所控制每条指令每次执行时的CPU周期数和时钟周期数固定不变72013.3.11计算机学院同步控制方式实现方案采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令所有指令周期有相同的CPU周期数和时钟周期数优点：设计方便，时序简单缺点：简单指令时间浪费采用不定长机器周期不同的指令的机器周期数不相同中央控制与局部控制结合中央控制：将大多数包含微操作个数以及指令执行时间较接近的指令用统一时序信号控制在固定的机器周期内完成局部控制：少数复杂的指令延长节拍或增加节拍数82013.3.11计算机学院同步控制方式应用场合：用于CPU内部、设备内部、系统总线操作各挂接部件速度相近，传送时间确定，传送距离较近92013.3.11计算机学院异步控制方式异步：应答每条指令、每个微操作需要多少时间就占用多少时间采用“请求-响应”或“询问-应答”等“握手”（Handshake）方式建立时序关系微操作序列没有固定的周期节拍和严格统一的时钟周期与之同步优点：无时间浪费，时间利用率高缺点：控制复杂应用场合：用于异步总线操作各挂接部件速度差异大，传送时间不确定，传送距离较远132013.3.11计算机学院联合控制方式联合控制：时钟＋应答情况（1）：大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些难以确定时间或很长时间才能完成的操作，则采取应答方式情况（2）：（半同步）每个机器周期的节拍脉冲数固定，但是各指令周期的机器周期数不固定，由应答信号决定162013.3.11计算机学院控制器的控制方式同步控制采用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中央控制与局部控制结合异步控制联合控制情况（1）：固定机器周期＋应答方式情况（2）：半同步172013.3.11计算机学院时序信号的作用计算机控制器的时序系统产生一组时序信号送到操作控制器，为每个微操作带上时间标志，再输出到全机，控制完成指令所规定的动作机器一旦启动，CPU即开始取指令并执行指令，操作控制器利用定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，有条理、有节奏地指挥机器的动作，给计算机各部分提供工作所需的时间标志182013.3.11计算机学院时序信号的作用【思考】指令和操作数都放在内存中，同样用二进制码表示，CPU如何区分指令和操作数?时间：取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期中（“取指令”阶段）取操作数事件发生在指令周期的后面几个CPU周期中（“执行指令”阶段）空间：取出的指令送往指令寄存器取出的操作数送往运算器操作控制器发出的各种控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部件位置）的函数192013.3.11计算机学院时序信号的体制多级时序体制昀基本的体制：电位-脉冲制由计算机中所使用的逻辑器件（逻辑门和触发器）的特性决定202013.3.11计算机学院三级时序系统和二级时序系统硬布线控制器常采用三级时序系统：主状态周期-节拍电位-节拍脉冲微程序控制器常采用二级时序系统：节拍电位-节拍脉冲状态周期电位W0W1W2W3P0P1P2P3节拍电位节拍脉冲282013.3.11计算机学院时序信号发生器功能：用逻辑电路产生指令周期的各级定时信号组成时钟源脉冲发生器节拍脉冲和读写时序译码逻辑启停控制逻辑292013.3.11计算机学院时序信号发生器启停控制逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑环形脉冲发生器时钟脉冲源RDWET1T2T3T4RDWET1T2T3T4启动停机RD’WE’ø312013.3.11计算机学院时序信号发生器：时钟源通常由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号输出送至环形脉冲发生器11RC1C2322013.3.11计算机学院时序信号发生器：环形脉冲发生器作用：产生一组有序的、间隔相等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生昀后所需的节拍脉冲为了在节拍脉冲上不带干扰毛刺，环形脉冲发生器通常采用循环移位寄存器形式342013.3.11计算机学院环形脉冲发生器QQDC1^QQDC2^QQDC3^QQDC4^32CLRS脉冲时钟源＋5VRD’WE’RDWET1T2T3T4øø000100000382013.3.11计算机学院环形脉冲发生器C4C1C2C3000100110111000100110111000100110111ΦΦ392013.3.11计算机学院节拍脉冲译码逻辑设在一个CPU周期中产生四个等间隔的节拍脉冲，则其译码逻辑可表示为412013.3.11计算机学院节拍脉冲译码逻辑C4C1C2C3432013.3.11计算机学院存储器读/写时序译码逻辑存储器读/写时序信号的译码逻辑表达式：452013.3.11计算机学院存储器读/写时序与节拍脉冲时序关系462013.3.11计算机学院启停控制逻辑计算机上电后，时钟源立即产生一定频率的主时钟输出，但此时系统并不能立即开始工作部件在上电后要经过一定的上电复位时间才能脱离初始的不稳定的随机状态主时钟输出需要一定的时间达到输出的稳定只有在复位时间结束以后，才能通过启停控制逻辑控制时序部件发出各种时序控制信号，产生各机器周期和节拍信号472013.3.11计算机学院启停控制逻辑的实现方法使用启停逻辑产生的控制信号作为主时钟输出的门控信号启停控制逻辑将机器启动后，主时钟才能启动节拍信号发生器开始工作，顺序产生控制机器正常工作的各种时序信号特点：控制简单，但不能对各信号分别控制将启停逻辑产生的控制信号作为节拍信号发生器的各个输出信号的门控信号只有通过启停控制逻辑打开各与门后，才能使节拍电位信号直接作用于系统的各部件启停控制逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑环行脉冲发生器时钟脉冲源RDWET1T2T3T4RDWET1T2T3T4启动停机RD’WE’ø492013.3.11计算机学院启停控制逻辑启动时一定要从第一个节拍脉冲前沿开始工作停机时一定要在第四个节拍脉冲结束后关闭时序发生器QQDCr^RWET1T2T3T4RDRDWET1T2T3T4T4启动停机CLR50微程序控制器与微程序设计技术计算机学院计算机学院第五章中央处理机512013.3.11计算机学院微程序设计技术1951年由英国剑桥大学的M.V.Wilkes教授提出Wilkes模型TheBestWaytoDesignanAutomaticCalculatingMachine程序设计技术+存储逻辑将机器指令分解成基本的微操作序列，用代码表示这些微操作，写成微程序一条机器指令对应一个微指令序列构成的一段微程序取出微指令并据此产生微命令，进而实现机器指令要求的信息传送和加工532013.3.11计算机学院微命令和微操作一台计算机的硬件可以分为两大部分：控制部件：控制器执行部件：运算器、存储器、I/O设备等微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令微操作：执行部件接受微命令后所进行的昀基本操作微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令控制的操作过程控制部件发出微命令使执行部件执行微操作542013.3.11计算机学院微指令与微程序微指令：一组实现一定操作功能的微命令的组合通常以编码形式存放在控制存储器（控存）的一个单元中，产生一组控制信号微程序：实现一条机器指令功能的一组微指令组成的序列552013.3.11计算机学院微指令与微程序机器语言程序与微程序的关系机器语言程序由机器指令序列构成，存放在主存中由程序员直接或间接使用，面向计算微程序由微指令构成，存放在控制存储器中由机器设计者使用，面向机器指令562013.3.11计算机学院机器语言程序与微程序的关系求解问题的算法ADDR1，R2STAM11ii+1m主存┇┇┇┇┇┇┇┇┇┇ADD指令的微程序STA指令的微程序控存572013.3.11计算机学院多路开关多路开关CyXYR1R2R3468975+-M312ALUDR模型机的简单运算器数据通路相容性微操作相斥性微操作582013.3.11计算机学院微指令格式1234567891011121314151617181920212223·······················LDR1’LDR2’LDR3’R1XR1YR2XR2YDRXR3Y+M－RD’LDDR’LDIR’LDAR’PC+1P1P2微地址码微操作码（μOP）/操作控制顺序控制条件选择592013.3.11计算机学院OP指令寄存器IR微地址寄存器微地址转移逻辑控制存储器CM地址译码P字段控制字段……微命令信号…状态条件微命令寄存器微程序控制器的组成微指令周期（微周期）：读出并执行一条微指令的时间总和μIR=μAR+μCR612013.3.11计算机学院微程序举例：十进制加法指令功能：用BCD码完成十进制数的加法运算前提：（隐含寻址）加数a已存放在R1寄存器中加数b已存放在R2寄存器中数6存放在寄存器R3中算法a＋b＋6判断结果有无进位：Cy＝1：本应＋6修正Cy＝0：不应＋6修正，－6恢复PC→ABUS(I)IBUS→IR,PC+1R2+R3→R2R1+R2→R2R2－R3→R2P2P1Cy=1RD0000000010101001000000010000Cy=01001622013.3.11计算机学院微程序举例：十进制加法指令功能：用BCD码完成十进制数的加法运算前提：（隐含寻址）加数a已存放在R1寄存器中加数b已存放在R2寄存器中数6存放在寄存器R3中算法a＋b＋6判断结果有无进位：Cy＝1：本应＋6修正Cy＝0：不应＋6修正，－6恢复PC→AR→ABUSDBUS→DR→IR,PC+1R2+R3→R2R1+R2→R2R2－R3→R2P2P1Cy=1RD0000000010101001000000010000Cy=01001642013.3.11计算机学院微程序举例：十进制加法指令第一条微指令：取指（fetch）微指令十进制加法指令：OP＝1010000000000000111111000001234567891011121314151617181920212223·······················LDR1’LDR2’LDR3’R1XR1YR2XR2YDRXR3Y+M－RD’LDDR’LDIR’LDAR’PC+1P1P2微地址码操作控制顺序控制PC→AR→ABUSDBUS→DR→IR,PC+1P1RD00000000652013.3.11计算机学院微程序举例：十进制加法指令CyXYR1R2R3468975+-M312ALUDRPC→AR→ABUSDBUS→DR→IR,PC+1R2+R3→R2R1+R2→R2R2－R3→R2P2P1Cy=1RD0000000010101001000000010000Cy=01001662013.3.11计算机学院微程序举例：十进制加法指令第二条微指令01010010010000000001001R1+R2→R2101010011234567891011121314151617181920212223·······················LDR1’