第五章 中央处理器讲义

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1、1,第五章 中央处理器,2,控制器,中央处理器(CPU),运算器,控制器：处理指令的部件,一、控制器的基本功能,对指令流和数据流组成的信息流在时、空上实现正确的控制。 即按特定的顺序取出并解释每一条指令，然后产生对运算器和其他部件发出的操作控制信号，完成指令规定的工作。,3,控制器的功能和组成,1. 指令的流向控制:顺序执行、跳转、中断、子程序调用。 2. 指令的执行控制 (1) 指令的流出控制 ：取指（存储器IR） (2) 指令分析与执行的控制 ：,寻址方式 取数（存储器ALU） 通过运算器、存储器等实现指令,译码器译码决定,4,控制器的功能和组成,二、控制器的组成 1. 指令部件 (1)

2、程序计数器(Programming Counter，PC) ：存放将要执行指令的地址 (2) 指令寄存器(Instruction Register，IR) ：当前指令 (3) 指令译码器(Instruction Decoder，ID) (4) 程序状态寄存器(Programming Status Register，PS)： 工作状态、优先级、特征位 (5) 地址形成部件：形成操作数地址 2. 时序部件 3. 控制信号形成部件 4. 中断控制逻辑,5,控制器的功能和组成,1)依据pc的值取指，PC+1; 4)依据情况决定修改pc的值（是否是跳转、分支指令）,2)译码,3)在时序等的配合下产生相应

3、信号,6,控制器的实现方式,控制器的输入是机器指令代码，输出是微操作控制信号。根据实现微操作控制信号的方式不同，控制器可分为： 1组合逻辑实现方式 2微程序实现方式 3组合逻辑和存储逻辑结合实现方式,也称硬线控制逻辑 是由标准门电路组成复杂的逻辑网络，产生每个微操作控制信号 设计、调试、维修、修改、扩展指令功能非常困难。 机器快速,7,控制器的实现方式,控制器的输入是机器指令代码，输出是微操作控制信号。根据实现微操作控制信号的方式不同，控制器可分为： 1组合逻辑实现方式 2微程序实现方式 3组合逻辑和存储逻辑结合实现方式,设一台计算机中的所有指令共需要n个微操作。每一个微操作用一个二进制位控制

4、，1表示执行，0表示不执行。这n个控制位在一起就构成了一条微指令。 例如：第0位表示PC清0，第1位表示PC+1 一条指令可用几条微指令来描述，就构成了一段微程序。 把微程序存在控制存储器(简称控存)中。 当执行指令时，就读出与该指令对应的微程序并将其转化为微操作控制序列。,8,控制器的实现方式,控制器的输入是机器指令代码，输出是微操作控制信号。根据实现微操作控制信号的方式不同，控制器可分为： 1组合逻辑实现方式 2微程序实现方式 3组合逻辑和存储逻辑结合实现方式,设计、调试与维修，乃至更改指令的功能都是比较方便。 增加了一级控制存储器，指令的执行速度比组合逻辑控制器慢。,9,控制器的实现方式

5、,控制器的输入是机器指令代码，输出是微操作控制信号。根据实现微操作控制信号的方式不同，控制器可分为： 1组合逻辑实现方式 2微程序实现方式 3组合逻辑和存储逻辑结合实现方式,PLA(可编程逻辑阵列)控制器，它是通过吸收前两种实现方式的思想来实现的。 PLA控制器实际上也是一种组合逻辑控制器，但它是可编程的，微操作控制信号由PLA的输出函数产生。,10,控制器的实现方式,控制器的实现方式不同，但产生微操作控制信号的功能是相同的，产生控制的条件也是基本一致的，都是由时序信号、操作码译码信号和被控制部件的反馈信号等综合而成，如图5-2所示。,11,作业：,12,时序系统,时序系统的功能：为指令的执行

6、提供各种定时信号。,13,时序系统,1. 指令周期和机器周期 ： 指令周期：取指令、分析指令和执行完指令所经历的全部时间 。 一个指令周期分为若干个机器周期 。,14,时序系统,机器周期（CPU周期） 取指周期 取数周期 执行周期 中断周期 等 指令周期 = i * 机器周期 机器周期长度： 以主存的工作周期(存取周期)为基础来规定，一般是主存周期的若干倍。,15,时序系统,2. 节拍 把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一时间段对应一个电位信号，称为节拍电位信号。,不同的机器周期内需要完成的微操作的个数及难易程度是不同的，因而不同机器周期内所需要的节拍数也不相同。具体地说：,执行部件执行

7、的最基本操作。,16,时序系统,(1)统一节拍法：定长 以最复杂的机器周期为准来定出节拍数 ：每一机器周期内含有相同数目的节拍 每一节拍时间的长短也以最繁的微操作为准 ：所有的机器周期长度相等（前页图）,17,时序系统,(2) 分散节拍法（时间利用率高）： 按照机器周期实际的需要安排节拍数 ，不定长。 (3) 延长节拍法 ： 在照顾多数机器周期要求的前提下，选取适当的节拍数作为基本节拍。 若某个机器周期内按规定的基本节拍数无法完成该周期的全部微操作，则可延长节拍。,18,时序系统,(4) 时钟周期插入 ： 直接使用时钟周期作为节拍。 机器周期的基本时钟周期数是确定的，若需等待较慢的部件，可以不

8、断插入等待时钟周期。,19,时序系统,3工作脉冲 一个节拍内还设置一个或几个具有一定宽度的工作脉冲。 节拍中执行的有些微操作就需要同步定时脉冲，如将稳定的运算结果打入寄存器等。 一般小型机中常采用如图5-4所示的周期、节拍、工作脉冲三级时序系统，图5-4中每个机器周期M中包括四个节拍T1T4，每个节拍内有一个工作脉冲P。,20,时序系统,21,时序系统,4.节拍电位和工作脉冲的不同作用与时间配合 节拍电位信号在数据通路传输中起开、关门的控制作用，是信息的载体。 工作脉冲则起定时触发作用。 例如对于D功能触发器，则节拍电位控制信息送到触发器的D端，工作脉冲送到CP端，它们之间的配合关系如图5-5

9、所示。,例如：总线,22,时序系统,5. 时序发生器 时序发生器用于产生多级时序系统中需要的时序信号。 脉冲源（产生主脉冲，又称基准脉冲或时钟脉冲） 逻辑电路的分频与组合 机器周期电位、节拍电位和工作脉冲。 时序发生器一般包括：时钟系统、周期节拍发生器和启停控制逻辑，如图5-6所示,23,时序系统,时钟系统,24,时序系统,将脉冲发生器送来的主脉冲进行分频与组合，产生机器周期电位与节拍电位. 通常由计数器(或移位器)、寄存器及控制门等组合逻辑电路构成。,25,时序系统,由触发器及“与非”门组成。 它控制时钟系统，只有当启动机器运行时，才允许发出所需要的时钟脉冲。由于机器的启停是随机发生的，因此

10、，电路中必须考虑到发送出去的脉冲的完整性。,26,时序系统,例5.1若某主机主频为200MHz，每个指令周期平均为2.5个机器周期，每个机器周期平均包括2个主频周期，问： （1） 该机平均指令执行速度为多少MIPS? （2） 若主频不变，但每条指令平均包括5个机器周期，每个机器周期又包含4个主频周期，平均指令执行速度又为多少MIPS? （3） 由此可得出什么结论？ 解：(1) 主频为200MHz，所以主频周期 = 1/200MHz = 0.005s 。 每个指令周期平均为2.5个机器周期，每个机器周期平均包括2个主频周期， 所以一条指令的执行时间 = 2 * 2.5 * 0.005s = 0.

11、025s 。 该机平均指令执行速度 = 1/0.025 = 40MIPS 。 (2) 每条指令平均包括5个机器周期，每个机器周期又包含4个主频周期， 所以一条指令的执行时间 = 4*5*0.005s = 0.1s 。 该机平均指令执行速度 = 1/0.1 = 10MIPS 。 (3) 由此可见：指令的复杂程度会影响指令的平均执行速度。,27,控制器的控制方式,形成微操作序列的时序方式称为控制方式。它不仅直接决定着控制时序信号的产生，也影响到控制器及其它部件的组成以及指令的执行速度等。 根据机器时钟信号与微操作信号的时间关系，可分为同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式等。,28,控制器的控制

12、方式,1. 同步控制方式 系统有一个统一的时钟，所有的控制信号均来自这个统一的时钟信号。 基本思想：选取部件中最长的操作时间作为统一的时间间隔标准，使所有的部件都在这个时间间隔内启动并完成操作。,29,控制器的控制方式,根据指令周期、机器周期和节拍的长度固定与否，同步控制方式又可分为以下几种： 1）定长指令周期 2）定长机器周期 3）变长机器周期、定长节拍,所有的指令执行时间都相等,30,控制器的控制方式,根据指令周期、机器周期和节拍的长度固定与否，同步控制方式又可分为以下几种： 1）定长指令周期 2）定长机器周期 3）变长机器周期、定长节拍,机器周期都相等 指令周期不固定,31,控制器的控制

13、方式,根据指令周期、机器周期和节拍的长度固定与否，同步控制方式又可分为以下几种： 1）定长指令周期 2）定长机器周期 3）变长机器周期、定长节拍 cpu内部一般采取同步方式。,根据不同情况确定每个机器周期的节拍数,32,控制器的控制方式,2. 异步控制方式 “应答”方式，各操作之间的衔接是由“结束-起始”信号来实现的。,33,控制器的控制方式,3. 联合控制方式 同步控制和异步控制相结合的方式。是介于同步和异步之间的一种折衷。 对大多数需要节拍数相近的指令，用相同的节拍数来完成，即采用同步控制；而对少数需要节拍数多的指令或节拍数不固定的指令，给予必要的延长，即采用异步控制。 例如：cpu内部用

14、同步方式，与总线通讯或访存指令用异步。 4. 人工控制 reset、单步执行,插入等待周期,34,控制器的控制方式,例5.2假设某机平均执行一条指令需要两次访问主存，平均需要3个机器周期，每个机器周期平均包含4个节拍，若机器主频为240MHz。 （1） 若主存为“0等待”(即不需要插入等待时间)，执行一条指令的平均时间为多少？ （2） 若每次访问主存需要插入2个等待周期，执行一条指令的平均时间又是多少？ 解：因为机器主频为240MHz，所以节拍周期 = (1/240)s 。 （1） 因为每个机器周期平均包含4个节拍，所以： 机器周期 = 节拍周期*4 = 4/240MHz = (1/60)s

15、若访存不需要插入等待周期，则执行一条指令平均需要3个机器周期，所以： 指令周期 = 3*机器周期 = 3*(1/60)s = (1/20)s = 0.05s 机器平均速度 = 1/0.05s = 20MIPS （2） 平均执行一条指令需要两次访问主存，每次访问主存需要插入2个等待周期，所以： 指令周期 = 0.05s+4*(1/240)s = (1/20)s+(1/60)s = (4/60)s 机器平均速度 = 60/4 = 15MIPS,35,CPU的总体结构,中央处理器CPU具有四个方面的功能：（5.1节） （1） 指令控制 程序的顺序控制，称为指令控制。 （2） 操作控制 一条指令的功能

16、往往是由若干个操作信号的组合来实现的。CPU管理并产生由主存取出的每条指令的操作信号，把各种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。 （3） 时间控制 对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。 （4） 数据加工 所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理等。,36,寄存器的设置,1. 通用寄存器 具有多种功能：临时存放地址和数据、变址寄存器、地址指针等。 通用寄存器可由程序编址访问 。 例：AX BX CX DX SI DI BP SP（堆栈） PDP11的R0-R7 VAX11的R0-R15,37,寄存器的设置,2. 专用寄存器 CPU的专用寄存器专门用来完成某种功能： 程序计数器PC：指出下一条指令的主存地址。 指令寄存器IR：保存当前正在执行的指令代码。 处理机状态标志寄存器PS CPU与主存接口的寄存器： 存储器地址寄存器MAR：接受来自程序计数器PC的指令地址或接受来自地址形成部件的操作数地址，以确定所需访问的存储单元 存储器数据寄