计算机组成原理 第五章 中央处理器.

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1、第五章 中央处理器 2 第五章 中央处理器 5.1CPU功能和组成 5.2指令周期 5.3时序产生器 5.4微程序控制器及其设计 5.5硬布线控制器及其设计 5.6流水CPU 5.7RISC的CPU 3 5.1 CPU的功能和组成 从冯诺依曼的程序存储思想说起 1、CPU的功能 指令控制（程序的顺序控制,程序由很多指令依次执行，指令 的相互顺序不能颠倒，保证机器按顺序执行程序是CPU的首 要任务） 操作控制（一条指令有若干操作信号组合实现，CPU管理并 产生由内存取出的每条指令的操作信号，并将这些操作信号 送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求完成操作 ） 时间控制（指令各个操作实施时间

2、的定时，指令的操作信号 均受时间严格定时，指令的执行过程也受时间的严格定时， 这样才能保证计算机有条不紊的工作） 数据加工（算术运算和逻辑运算） 4 5.1.2CPU的基本组成 运算器、控制器、Cache 5 5.1.2CPU的基本组成 运算器：数据加工处理 部件。 执行所有算术运算 执行所有逻辑运算 6 5.1.2CPU的基本组成 运算器、控制器、Cache 7 5.1.2CPU的基本组成 控制器：完成协调和指挥整个计算机系 统的操作。 从指令Cache中取出一条指令，给出下一条指令的 地址 对指令译码产生相应操作控制信号 指挥并控制CPU、数据Cache和输入输出设备间 的数据流动 8 5

3、.1.2CPU的基本组成 运算器、控制器、Cache 9 5.1.2CPU的基本组成 Cache：高速缓冲存储器，存储数据和 程序 数据Cache 指令Cache 10 5.1.3CPU中的主要寄存器 运算器、控制器、Cache 11 5.1.3CPU中的主要寄存器 数据缓冲寄存器：暂时存放从数据存储 器读出的数据或者存放来自外设的数据 或者存放ALU运算结果。 12 5.1.3CPU中的主要寄存器 运算器、控制器、Cache 13 5.1.3CPU中的主要寄存器 数据缓冲寄存器：暂时存放从数据存储 器读出的数据或者存放来自外设的数据 或者存放ALU运算结果。 指令寄存器：用来保存当前正在执行

4、的 一条指令。指令到达指令寄存器后，需 经指令译码器译码，方可向操作控制器 发出具体的操作信号。 14 5.1.3CPU中的主要寄存器 运算器、控制器、Cache 15 5.1.3CPU中的主要寄存器 数据缓冲寄存器：暂时存放从数据存储器读出 的数据或者存放来自外设的数据或者存放 ALU运算结果。 指令寄存器：用来保存当前正在执行的一条指 令。指令到达指存后，需经指令译码器译码， 方可向操作控制器发出具体的操作信号。 程序计数器（指令计数器）： 程序执行之前：保存起始地址 执行过程中：自动修改PC内容，使其总保 存下一条指令地址（累加或跳转）。 16 5.1.3CPU中的主要寄存器 运算器、控

5、制器、Cache 17 5.1.3CPU中的主要寄存器 数据地址寄存器：保存当前CPU访问的 数据Cache单元地址。由于要对存储器 阵列进行地址译码，必须使用地址寄存 器保持地址信息，直到一次读写操作完 成。地址寄存器和数据缓冲寄存器、指 令寄存器一样采用电位-脉冲方式。电位 输入端对应数据信息位，脉冲输入端对 应控制信号。在控制信号的作用下，瞬 时将信息打入寄存器。 18 5.1.3CPU中的主要寄存器 运算器、控制器、Cache 19 5.1.3CPU中的主要寄存器 数据地址寄存器：保存当前CPU访问的 数据Cache单元地址。 通用寄存器（R0-R3）：ALU运算工作 区。 20 5.

6、1.3CPU中的主要寄存器 运算器、控制器、Cache 21 5.1.3CPU中的主要寄存器 数据地址寄存器：保存当前CPU访问的 数据Cache单元地址。 通用寄存器（R0-R3）：ALU运算工作 区。 状态字寄存器（PSW）：保存算数或逻 辑运算的各种条件代码，如运算结果进 位标志，溢出标志，结果为零标志，结 果为负标志，中断标志，系统工作状态 等。 22 5.1.4操作控制器与时序产生器 运算器、控制器、Cache 23 5.1.4操作控制器与时序产生器 CPU的工作过程需要数据在各寄存器之 间流动，怎样实现？ 操作控制器： 在各寄存器之间建立数据通路。 根据指令码和时序信号，产生各种操

7、 作控制信号，正确选择数据通路，把 有关数据打入到相关寄存器，完成取 指、执行的控制。 24 5.1.4操作控制器与时序产生器 按设计方法分两类： 存储逻辑型：微程序控制器 采用存储逻辑来实现的，也就是把微 操作信号代码化，使每条机器指令转 化成为一段微程序并存入一个专门的 存储器(控制存储器)中，微操作控制 信号由微指令产生。 时序逻辑型：硬布线控制器 采用数字逻辑技术来实现的，其时序 控制信号形成部件是由门电路组成的 复杂树形网络。 25 5.1.4操作控制器与时序产生器 怎样控制每个细节操作发生时间？ 时序产生器：对各种操作信号实施时间 上的控制 26 上述内容为CPU的功能部件介绍 对

8、CPU结构有了了解之后关注CPU工作时 的动态特征。 27 5.2指令周期 CPU的功能：取指令和执行指令 指令周期：取出一条指令并执行这条指令的时间 。 各种指令的指令周期相同吗？为什么？ 28 5.2指令周期 CPU周期（机器周期）： 定义为：在内存（Cache）中读取指 令字的最短时间（因为访存耗时较长 ） 取指阶段需要一个CPU周期 29 5.2指令周期 一个指令周期中： 一条指令耗时一个指令周期 一个指令周期包括一个取指令周期和 一个或一个以上的CPU执行周期 在每个CPU周期中数据通路是确定的 指令决定了数据通路的建立及操作具 体内容与实现方式。 30 勘误： P142：最后一段第

9、一句改为： 指令周期常常用若干个CPU周期数来 表示，CPU周期又称为机器周期，（ 删除“又称时钟周期，”）CPU访问一 次内存 31 5.2指令周期 时钟周期：节拍脉冲、T周期 处理操作的最基本单位，与CPU主频 成倒数 可代表一次微操作，如ALU的一次运 算、寄存器间的一次数据传送 32 Eg. 某CPU的主频为8MHz，若已知每 个机器周期平均含有4个时钟周期，且 该机的平均指令速度为0.8MIPS，则该 机的平均指令周期为_，每 个指令周期平均含有_个机 器周期。 33 解答 指令周期： 1 时钟周期： 指令周期含有时钟周期个数： 指令周期含有机器周期个数： 0.8M S = 1.25

10、 uS 1 8M S= 0.125 uS 10 2.5 34 5.2 指令执行过程详解 指令存储器八进制地址指令助记符 100 101 102 103 104 105 106 MOV R0,R1 LAD R1,6 ADD R1,R2 STO R2,(R3) JMP 101 AND R1,R3 数据存储器八进制地址八进制数据 5 6 7 10 30 70 100 66 77 40(120) 35 5.2.2 MOV指令执行过程详解 36 5.2.2 MOV指令执行过程详解 取指令： 取出指令：从存储器取出要执行的指令 送到 指令寄存器暂存； PC+1； 指令译码：确定要进行的操作； 执行指令：

11、根据指令译码器向各个部件发出相应控 制信号，完成指令规定的操作 与冯诺依曼存储程序思想的印证 37 5.2.2 MOV指令执行过程详解-取指令 取指令过程详解 38 5.6 MOV指令执行过程详解-取指令 PC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； 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； 程序计数器内容加1，变成102，为取下一条指令做好准备； 指令寄存器中的操作码（OP）被译码； CPU识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。 程序计数器PC中装入第一条指令地址101（八进制）； 101102 MOV R0,R1 39 5

12、.2.2 MOV指令执行过程详解-执行指令 执行指令过程详解 40 5.6 MOV指令执行过程详解-取指令 OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作； OC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DBUS上只能有一个数据。 OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）； OC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。 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R0 作目标寄存器； 源 目标 10 41 5.2.3 LA

13、D指令执行过程详解 指令存储器八进制地址指令助记符 100 101 102 103 104 105 106 MOV RO,R1 LAD R1,6 ADD R1,R2 STO R2,(R3) JMP 101 AND R1,R3 数据存储器八进制地址八进制数据 5 6 7 10 30 70 100 66 77 40(120) 42 5.2.3 LAD指令执行过程详解 取指令过程与MOV指令相同 下面讲解执行指令过程 43 PC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； 从102号地址读出的LAD指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器IR； 程序计数器内容加1，变成10

14、3，为取下一条指令做好准备； 指令寄存器中的操作码（OP）被译码； CPU识别出是LAD指令，至此，取指周期即告结束。 程序计数器PC中的值为102（八进制）； 102 LAD R1,6 103+1 44 OC发出操作命令，将地址码6装入数据地址寄存器AR； OC发出读命令，将数存6号单元中的数100读出到DBUS上； OC发出命令，将DBUS上的数据100装入缓冲寄存器DR； OC发出命令，将DR中的数100装入通用寄存器R1，原来R1中的数10被冲掉。至此， LAD指令执行周期结束。 操作控制器OC发出控制命令打开IR输出三态门，将指令中的直接地址码6放到数据总 线DBUS上； 6LAD

15、R1,6 100 45 5.2.3 LAD指令执行过程详解 分析：为什么LAD指令周期包含三个 CPU周期？ 答：DBUS 上分时进行 地址传送和 数据传送, 一个数据通 路占用一个 CPU周期。 46 5.2.4ADD指令的指令周期 只讲ADD指令的执行过程 47 5.2.4ADD指令的执行周期 操作控制器OC送出控制命令到通用寄存器，选择R1做源寄存器， R2做目标寄存器； OC 送出控制命令到ALU，指定ALU做R1（100）和R2（20）的加 法操作； OC送出控制命令，打开ALU输出三态门，运算结果120放到DBUS 上； OC送出控制命令，将DBUS上数据打入缓冲寄存器DR；ALU产生的 进位信号保存状态字寄存器在PSW中。 OC送出控制命令，将DR（120）装入R2，R2中原来的内容20被冲 掉。至此ADD指令执行周期结束。 103 ADD R1,R2 104+1 100 20 120 48 5.2.5STO指令的指令周期 STO R2, (R3) -将R2内容写到(R3) 49 5.2.5STO指令的指令周期 操作控制器OC送出操作命令到通用寄存器，选择R3=30做数据存储 器的地址单元； OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将地址30放到 DBU