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1、第六章 中央处理部件CPU,6.1 计算机的硬件系统 6.2 控制器的组成 6.3 微程序控制计算机的基本工作原理 6.4 微程序设计技术 6.5 硬布线控制的计算机 6.6 控制器的控制方式 6.7 流水线工作原理 6.8 CPU举例 6.9 计算机的加电及控制过程,本章教学内容,本章学习目标,从两个方面来认识CPU： CPU的逻辑组成 CPU如何工作,重点 1.控制器的作用.组成.指令的执行过程. 2.微程序控制器的工作原理:组成.产生控制信号的方法. 3.微程序控制器的一些基本概念,与机器指令级的比较. 4.微程序的微指令编码译码方法. 5.产生后继微指令地址的方法. 6.微指令的格式:
2、水平和垂直型微指令. 7.硬布线控制器的组成,控制信号的产生方法,时序的作用和产生方法 8.硬布线控制器的设计步骤和方法. 9.硬布线控制器与微程序控制器的比较. 10.控制器的控制方式的含义与种类. 11.流水线工作原理. 12.流水线的相关问题(数据相关和程序相关). 难点 对于指令执行过程的理解、微程序设计技术和控制器的设计方法以及CPU的构成.,计算机组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件 微处理器:运算器+控制器集成在一个芯片上，通常称之为中央处理部件(CPU)。 控制器的作用:协调并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。 计算机的工作过程： 加电产生reset信
3、号执行程序停机停电。 机器加电时： （1）可以利用reset信号将某值(例如全 “0”)置于程序计数器PC中，此即为开机后执行的第一条指令的地址，也就是固定程序入口地址 （2）也可以直接在指令寄存器中置入一条无条件转移指令(转移到固定程序入口)，然后开始执行程序。 固定程序:先对计算机各部件进行测试，然后进入操作系统环境，等候操作员从键盘送入命令，或用鼠标器对显示屏上的图标进行选择。(一般放在ROM中) 程序执行过程：计算机从程序入口地址开始执行该程序的指令序列，是不断地取指令、分析指令和执行指令这样一个周而复始的过程 实现原理：当前正在执行的指令地址是放在控制器的程序计数器(PC)中的。,6
4、. 1 计算机的硬件系统,一Intel 80386微机系统 图61是由Intel 80386微处理器等器件组成的 微机系统，Intel 80386是32位微处理器。,Intel 80386 微机系统框图,是系统中主要的处理、控制部件,机器加电时产生reset信号，计算机各个部件处于初始状态。执行的第1条指令的地址为0FFFFFFF0H，为一条转移指令，转到引导程序入口。,Clk是clk2的二分频时钟信号,80386通过总线与存储器和I/O设备交换信息。对总线的使用需要总线控制逻辑来管理。,快速设备通过DMA方式与主存交换信息。,慢速设备通过中断方式与主存交换信息。,当CPU与主存交换信息时，由
5、于速度不匹配，CPU需要等待，ready信号是由存储器发出的，表明CPU需要的读写命令已完成。,80287/387协处理器与80386并行工作，扩充了80386的指令系统，主要完成浮点运算和高精度整数运算，80386自动将取得的协处理器指令传给80387。,二 Intel 80386结构及外部连线,80386包括： 指令部件：完成取指及指令译码功能； 执行部件：包括ALU、乘法部件、寄存器等； 存储管理部件：用来确定存储器地址。 80386微处理器芯片通过引出端与计算机的其它部件连接。各引出端的功能如下：,ADS：地址状态信号，表示地址线、总线周期定义信号已有效，开始总线周期进行读写。,NA：
6、本次读/写操作虽未完成，允许送下一周期的地址和读写信息，使两次操作重叠。,ready：当存储器或I/O设备完成操作后发出的信号。386接到此信号后，结束本周期。,BS16：表示被访问的存储器或I/O设备的数据传送宽度为16位。,PEREQ：协处理器请求386在存储器与协处理器之间传送一个数据。,BUSY：协处理器忙，不能接收另一个指令。,ERROR:协处理器出现了一个错误,主设备：占用总线的设备。从设备：与主设备通信的设备。 I/O设备作主设备时，发出hold信号申请。当CPU同意总线请求，可以释放总线，发hlda。其余引出端均呈高阻状态。,INTR为中断请求信号,NMI不可屏蔽中断请求信号,
7、RESET为总清或复位信号,在80386与存储器或IO设备之间传送(读写)一个数据的时间称为总线周期。,WR#区分是写周期(当WR#为1时)还是读周期(当WR#为0时),DC#表示是数据周期还是控制(取指)周期,MIO#表示是访问存储器还是IO设备,LOCK#为总线锁定信号，当它为低电位时，不允许芯片外部的信号打断当前总线周期的操作，即CPU不允许让出总线控制权。,62 控制器的组成,一. 控制器的功能,计算机对信息进行处理(或计算)是通过程序的执行而实现的，程序是完成某个确定算法的指令序列，要预先存放在存储器中。控制器的作用:控制程序的执行，它必须具有以下基本功能：,1取指令 当程序已在存储
8、器中时，首先根据程序入口取出第一条指令，为此要发出指令地址及控制信号。然后不断取出第2，3，条指令。,2分析指令 或叫解释指令、指令译码等。是对当前取得的指令进行分析，指出它要求作什么操作，并产生相应的操作控制命令，如果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址。 3执行指令 根据分析指令时产生的“操作命令”和“操作数地址”形成相应的操作控制信号序列，通过CPU及输入输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中还包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。,计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作：取指、分析、执行；再取指、再分析、再执行，如此循环，直到遇到停机指令或外来的干预为止。,部件或设备
9、发出： (1)“中断请求”信号 待CPU执行完当前指令后，响应该请求，中止当前执行的程序，转去执行中断程序。当处理完毕后，再返回原程序继续运行下去。 (2)DMA请求信号 等CPU完成当前机器周期操作后，暂停工作，让出总线给IO设备，在完成IO设备与存储器之间的传送数据操作后，CPU从暂时中止的机器周期开始继续执行指令。,4控制程序和数据的输入与结果输出,根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命令来完成IO功能，这实际上也是通过执行程序来完成的。,5对异常情况和某些请求的处理,二. 控制器的组成,1程序计数器(PC) 即指令地址寄存器。在某些计算机中用来存放当前正在
10、执行的指令地址；而在另一些计算机中则用来存放即将要执行的下一条指令地址；而在有指令预取功能的计算机中，一般还需要增加一个程序计数器用来存放下一条要取出的指令地址。 2指令寄存器（IR） 用以存放当前正在执行的指令，以便在指令执行过程中，控制完成一条指令的全部功能。 3指令译码器或操作码译码器 对指令寄存器中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号。,4脉冲源及启停线路 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，是机器周期和工作脉冲的基准信号，在机器刚加电时，还应产生一个总清信号(reset)。 启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动机器工作或使之停机
11、。 5时序控制信号形成部件 当机器启动后，在CLK时钟作用下，根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号，并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号。,即指令地址寄存器。存放当前正在执行的指令地址或下一条指令地址。 指令地址形成: (PC)+1-PC。或: 转移指令修改其内容,用以存放当前正在执行的指令,对指令寄存器中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号。,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，是机器周期和工作脉冲的 基准信号。,根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号,1、控制器包括哪几个组成部分，各个部分的功能是什么？ 2、控制器需要向哪些逻辑电路
12、发送控制信号？各发送哪些控制信号？ 3、为简化控制器的工作原理，教材中做了哪几点假设？,1.组成控制器的基本电路,计算机中采用的电路，基本上分为两种类型。,一类是具有记忆功能的触发器以及由它组成的寄存器、计数器和存储单元等。,一类是没有记忆功能的门电路及由它组成的加法器、算术逻辑运算单元(ALU)和各种逻辑电路等。,三.指令执行过程,2指令执行过程举例,数据通路：控制器组成:图6.3 运算器组成:图6.6 中央处理器组成：图6.8 (1) 一条加法指令的执行过程: (时序图) 指令格式:,rs，rd，rs1为通用寄存器地址；imm(或disp)为立即数(或位移量)。 加法指令功能：(rs)+(
13、rs1)+disp- rd,取指令,计算地址,取数,运算送结果,划分机器周期的原则:总线不冲突.,返回指令执行,返回指令执行,假设运算器的框图如图6.6所示。运算器由8个通用寄存器GR及一个算逻运算部件ALU组成，并有4个记忆运算结果状态的标志触发器N，Z，V和C。 N(负数)： 当运算结果为负数时，置“1”，否则为“0”。 Z(零)： 当运算结果为零时，Z1，否则Z0。 V(溢出)： 当运算结果溢出时，V1，否则V0。 C(进位)： 当加法运算产生进位信号或减法运算产生借位信号时，C1，否则C0。,返回指令执行,返回指令执行,返回指令执行,计算地址rslGR， (rsl) ALU，dispA
14、LU；“+” ；ALUAR,返回指令执行,返回指令执行,返回指令执行,运算送结果: rs GR (rs) ALU DR ALU “+” ：rd GR ALU rd 置N，Z，V，C,返回指令执行,计算地址rslGR， (rsl) ALU，dispALU；“+” ；ALUAR,运算送结果: rs GR (rs) ALU DR ALU “+” ：rd GR ALU rd 置N，Z，V，C,(2)条件转移指令的执行过程,指令功能：根据N，Z，V，C的状态，决定是否转换。如转移条件成立，则转移到本条指令所指定的地址，否则顺序执行下一条指令。,指令执行步骤： 从存储器取指令，送入指令寄存器，并进行操作码
15、译码。 程序计数器加1，如不转移，即为下一条要执行的指令地址。 本操作对所有指令都是相同的。,如转移条件成立，根据指令规定的寻址方式计算有效地址，转移指令经常采用相对寻址方式，此时转移地址=PC+disp。此处PC是指本条指令的地址，而在上一机器周期已执行PC+1操作，因此计算时应取原PC值，或对运算进行适当修正。最后将转移地址送PC。 控制信号: PC ALU dispALU “+” ALUPC,其他指令的控制信号也按同样方法分析，根据每条指令的功能确定所需的机器周期数，并得出每个机器周期所需要的控制信号，最后将所有的控制信号进行综合简化。,控制器的功能就是按每条指令的要求产生所需的控制信号
16、。因此在设计控制器时要求系统设计师提供一个完整的无二义性的指令系统说明书。,产生控制信号一般有微程序控制和硬布线控制两种方法。,6.3 微程序控制计算机的基本工作原理,一、基本概念 1.微操作(微命令) 实现一条指令的功能按一定次序执行一系列基本操作，这些基本操作称为。 例如，前面讲到的加法指令，分成四步(取指令、计算地址、取数、加法运算)完成，每一步实现若干个微操作。 2.微指令 由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令，它含控制命令(信号)与下一条执行的微指令地址。 将一条机器指令分成若干条微指令，按次序执行这些微指令，就可以实现指令的功能。,3.微程序 执行一条机器指令所对应的多条微指令构成一段微程序。 如：加法指令“add rd/rs，immrs1”所对应的微程序由以下四条微指令组成一段微程序： 取指微指令 计算有效地址微指令 取数微指令 运算微指
