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1、第5章 中央处理机 *2 目录 5.1 CPU的功能和组成掌握 5.2 指令周期掌握 5.3 时序产生器和控制方式了解 5.4 微程序控制器掌握 5.5 硬连线控制器了解 5.6 传统CPU了解 5.7 流水CPU掌握 5.8 RISC CPU了解 5.9 多媒体CPU了解 *3 考研大纲要求 （一）CPU的功能和基本结构 （二）指令执行过程 （三）数据通路的功能和基本结构 （四）控制器的功能和工作原理 1.硬布线控制器 2.微程序控制器 微程序、微指令和微命令 微指令的编码方式；微地址的形成方式 （五） 指令流水线 1.指令流水线的基本概念 2.超标量和动态流水线的基本概念 *4 5.1 C
2、PU的组成和功能 l 5.1.1 CPU的功能 l 5.1.2 CPU的基本组成 l 5.1.3 CPU中的主要寄存器 l 5.1.4 操作控制器与时序产生器 *5 5.1.1 CPU的功能 lCPU（中央处理器） 控制程序按设定方式执行； lCPU的主要功能： 指令控制 u控制程序的执行顺序； 操作控制 u产生和发送各操作信号； 时间控制 u控制指令、或操作的实施时间； 数据加工 u对数据进行算术逻辑运算； 顺序寻址、跳跃寻址 对指令操作码译码后产生控制信号 维持各类操作的时序关系 由ALU完成具体的运算 *6 5.1.2 CPU的基本组成 l现代的CPU的组成 运算器、控制器 l控制器的主
3、要功能 从内存中取出一条指令，并指出下条指令的存放位置； 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号； 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动； l运算器的主要功能： 执行所有的算术运算； 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。 冯诺依曼机的定义 、片内Cache； PC、IR ALU、通用寄存器组 、标志寄存器 CU、时序电路 、操作控制器 *7 CPU模型图 运算器 Cache 控制器 *8 5.1.3 CPU中的主要寄存器（1/3） 1. 数据缓冲寄存器（DR） 暂时存放CPU与外界传送的数据，可以是指令字或数据字 。 作用 ： 作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站； 补偿CP
4、U和内存、外围设备之间在操作速度上的差别； 2. 通用寄存器 功能：暂时存放ALU运算的数据或结果。 CPU中的通用寄存器可多达16个，32个，甚至更多。 *9 5.1.3 CPU中的主要寄存器（2/3） 3.状态条件寄存器（PSW） 保存各种状态和条件控制信号； u进位标志(C)，溢出标志(V)，零标 志(Z)，符号标志(N) 每个信号由一个触发器保存，从而拼成一个寄存器。 4.地址寄存器（AR） 保存当前CPU所访问数据的内存单元地址； 主要用于解决主存/外设和CPU之间的速度差异，使地址信 息可以保持到主存/外设的读写操作完成为止 。 *10 5.1.3 CPU中的主要寄存器（3/3）
5、5.程序计数器（PC） 始终存放下一条指令的地址，对应于指令Cache的访问； 其内容变化分两种情况 u顺序执行： PC+1PC u转移执行： (指令OPR)PC 6.指令寄存器（IR） 保存当前正在执行的一条指令。 指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。 寄存功能 计数功能 *11 5.1.4 操作控制器与时序产生器 l数据通路 寄存器之间传送信息的通路。 l操作控制器 根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号； 建立正确地数据通路，从而完成指令的执行。 l根据设计方法不同，操作控制器可分为 硬布线控制器： 采用时序逻辑技术实现； 微程序控制器： 采用存储逻辑实现； 前两种
6、方式的结合； l时序产生器 对各种操作实施时间的控制。 *12 数据通路的建立 增量 写入 读出 写入 读出 写入 读出 锁存锁存 写入 读出 写入 读出 运算 类型读出 写入 *13 5.2 指令周期 l5.2.1 指令周期的基本概念 l5.2.2 MOV R0 , R1指令的指令周期 l5.2.3 LAD R1 , 6指令的指令周期 l5.2.4 ADD R1 , R2指令的指令周期 l5.2.5 STO R2 , (R3)指令的指令周期 l5.2.6 JMP 101指令的指令周期 l5.2.7 用方框图语言表示指令周期 *14 5.2.1 指令周期的基本概念 lCPU执行程序是一个“取指
7、令执行指令”的循环过程。 l指令周期 CPU从内存中取出一条指令，并执行的时间总和； lCPU周期 又称机器周期，一般为从内存读取一条指令字的最短时间； 一个CPU周期可以完成CPU的一个基本操作。 l时钟周期 也叫节拍脉冲或T周期，是计算机处理操作的基本时间单位 。 动画演示：5-2.swf *15 关于指令周期 l一个完整的指令周期由若干机 器周期： 取指周期间址周期 执行周期中断周期 l所有指令的第一个机器周期必 为取指周期； l一个基本的CPU周期包含4个时 钟周期，对于某些CPU周期可 以包含更多的时钟周期。 l不同指令的指令周期所包含的 时钟周期个数不一定相同。 求操作数 有效地址
8、 本教材上，间址周 期和执行周期统称 为执行周期！ *16 一个简单的程序 地址 指令说明 100 程序执行前设置(R0)=00,(R1)=10;(R2)=20,(R3)=30 101MOV R0 , R1 传送指令MOV执行(R1)R0 102LAD R1 , 6 取数指令LAD从6号单元中取数100R1 103ADD R1 , R2 加法指令ADD执行(R1)+(R2)R2,结果为(R2)=120 104STO R2 , (R3) 存数指令STO用(R3)间接寻址,(R2)=120写入30号单元 105JMP 101 转移指令JMP改变程序执行顺序,转到101号单元 106AND R1 ,
9、 R3 逻辑与指令AND执行(R1) (R2) R3 地址数据 570 6100 766 1077 3040（120） *17 5.2.2 MOV R0 , R1指令的指令周期 lMOV是一条RR型指令，它需 要两个CPU 周期： 取指周期 从存储器中取出指令； 程序计数器PC加1； 译码或测试指令操作码 ，发出控制信号； 执行周期 u在控制信号的作用下， 将R1中的数据经过ALU 送入R0； *18 MOV R0 , R1指令的执行过程演示 101 MOV R0 , R1 102 MOV 10 动画 演示 *19 MOV R0 , R1指令周期中的控制信号 1.取指周期 PCABUS指令Ca
10、che ，译码并启动； 指令Cache IR； PC PC+1，为取下条指令做好准备； IR中的操作码被译码或测试，CPU识别出是指令MOV。 2.执行指令阶段 R1ALU，R1中数据通过ALU传送； ALU DBUS DRR0； PC读 指令Cache启动 指令Cache读 IR写 PC增量 R1读 ALU传送控制 ALU输出 DR锁存 R0写 *20 5.2.3 LAD R1 , 6指令的指令周期 lLAD指令是RS型指令， 需要访存获取操作数，共 包含三个CPU周期： 取值周期 间址周期 u从IR的地址码字段获取 操作数地址；（或者通 过计算获得EA） 执行周期 u访存获取操作数送入通
11、用寄存器R1； *21 LAD R1 , 6指令的执行过程演示 102 LAD R1,6 103 LAD 6 100 动画 演示 *22 LAD R1 , 6指令周期中的控制信号 1.LAD取指周期 CPU动作与取MOV指令的取值周期中一样。 2.LAD指令的执行周期 IR DBUS AR； u该过程为寻址周期； ARABUS数据Cache ，译码并启动； 数据Cache DBUS DRR1； IR读 AR锁存 数据Cache启动 数据Cache读 DR锁存 R1写 *23 5.2.4 ADD R1 , R2指令的指令周期 lADD指令的指令周期由两个CPU周期组成 。 取指周期（略） 执行周
12、期 u从寄存器R1、R2中取出数据，作为源操作数； u将两数据送往ALU，并使ALU进行加运算； u结果保存到R1中。 *24 ADD R1 , R2指令的执行过程演示 103 ADD R1,R2 104 ADD 100 20 120 动画 演示 *25 ADD R1 , R2指令周期中的控制信号 取指周期（略） CPU动作与取MOV指令的取值周期中一样。 执行周期 R1、R2ALU； ALU做加运算，将两数相加； ALUDBUSDRR1，保存结果； R1读 R2读 ALU加 ALU输出 DR锁存 R1写 *26 5.2.5 STO R2 , (R3)指令的指令周期 lSTO指令是RS型指令，
13、需要3个CPU周期。 取指周期（略） 间址周期 u根据R3中的地址寻址所要访问的存储单元； 执行周期 u将寄存器R2中的数据送入指定的存储单元； *27 STO R2 , (R3)指令的执行过程演示 104 STO R2,(R3) 105 STO 动画 演示 30 120 *28 STO R2 , (R3)指令周期中的控制信号 1. 取指周期（略） 2. 执行周期 R3DBUSAR，发出地址启动数据Cache； u该过程为间址周期； R2DBUS数据Cache； R3读 AR锁存 R2读 数据Cache写 *29 5.2.6 JMP 101指令的指令周期 lJMP指令是一条无条件转移指令，用来
14、改变程序的 执行顺序； lJMP指令的执行需要两个CPU周期： 取指周期（略） 执行周期 u使用JMP指令中的直接地址为PC赋值； *30 JMP 101指令的执行过程演示 105 JMP 101 106 JMP 动画 演示 101 *31 JMP 101指令周期中的控制信号 1. 取指周期（略） 2. 执行周期 IRDBUSPC； IR读 PC写 *32 5.2.7 用方框图语言表示指令周期 l方框 代表一个CPU周期； 方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。 l菱形 通常用来表示某种判别或测试； 时间上依附于之前一个方框的CPU周期，而不单独占用一 个CPU周期； l（公操作符号）
15、 表示一条指令已经执行完毕，转入公操作。 所谓公操作就是一条指令执行完毕后，CPU所开始的一些 操作，比如对外围设备请求的处理等。 *33 P139 图5.14方框图语言表示的指令周期 MOV R0 , R1 LAD R1 , 6 ADD R1 , R2 STO R2 , (R3) JMP 101 *34 课本P139 【例1】 l图5.15所示为双总线结构机器的数据通路，各构成部件如图， 线上标注有小圈表示有控制信号，未标字符的线为直通线。 “ADD R2，R0”指令完成(R0)+(R2)R0的功能操作，画 出其指令周期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列 。 “SUB R1，R3”指令完成(R3)-(R1)R3的操作，画出其指 令期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。 *35 l 指令周期应包括取指 周期和执行周期； l 执行周期中应首先将 R0、R2两寄存器的 内容送入ALU的操作 数缓冲器
