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1、第5章中央处理器( CPU)CPU的功能和组成 指令周期与时序信号产生器 微程序设计技术和微程序 组合逻辑控制与门阵列 CPU中的流水线结构 CPU结构举例多处理机系统 5.1 CPU的功能与组成 一、 CPU(运算器 +控制器)的功能:控制各部件协调工作控制器的功能(基本功能) 控制器的基本功能就是负责指令的读出,进行识别和解释, 并指挥协调各功能部 件执行指令。 程序控制原理 1、编程 2、送 MM(通过输入设备) 3、机器工作时,是按一定的序列逐条取出指令,分析指令,执行指令, 并自动转到下一条指令执行,直到程序规定的任务完成。 4、程序控制由控制器承担,程序存储由存储器完成。 二、CP
2、U的基本组成 现代 CPU=运算器 +控制器 +Cache+ 浮点运算器 运算器、浮点运算器( CH2)=ALU+ACC+ 数据缓冲寄存器 +Flag Cache (CH3) 控制器功能:取指令、译码、数据流控制 控制器组成: PC、IR、ID、时序产生器、操作控制器三、 CPU中的主要寄存器:六类: IR PC AR DR AC 状态条件寄存器( PSW、Flag ):C,V,Z,N,等 四、操作控制器和时序产生器 1.操作控制器:在各寄存器之间建立数据通路并控制信息在各寄存器之间传送(正确建立数据通路) 根据设计方法不同,操作控制器可分为: 时序逻辑型 称为硬布线控制器,采用时序逻辑技术来
3、实现 存储型 称为微程序控制器,采用存储逻辑来实现 时序逻辑与存储逻辑结合型。 是前两种方式的组合。本书重点介绍微程序控制器。2.时序产生器:对各种操作信号进行定时 四、操作控制器和时序产生器5.2 指令周期与时序信号产生器 一、指令周期1、概念: 指令周期:取出并执行一条指令所需要的时间CPU周期:机器周期,包含若干时钟周期,一般指从内存中读取一个指令字的最短 时间时钟周期: T 周期(节拍脉冲) 一般:一个指令周期至少包括两个CPU周期定长 CPU周期:指令执行时间的 T周期数与取指的 T周期数相 不定 CPU周期:指令执行时间的 T周期数与取指的 T周期数不相同 一、指令周期一、指令周期
4、 一、指令周期 2、非访问内存指令的指令周期(CLA) (1)取指:访存取指、 PC+1,译码、测试 (2)执行: 3、直接访内指令的指令周期(ADD 30) (1)取指:访存取指、PC+1 ,译码、测试(2)执行阶段1:送操作数地址; (3)执行阶段2 :取操作数,完成运算 4. 存数指令的指令周期(STA 40) 间接访内指令的指令周期(STA I 31 ) (1)取指:访存取指、 PC+1,译码、测试 (2)执行阶段 1:送地址指示器(3)执行阶段 2:取操作数地址 (4)执行阶段 3 :存储和数 间接访内指令的指令周期(STA I 31 ) 5、程序控制指令的指令周期(JMP 21 )
5、 6、用框图语言表示指令周期 方框:一个方框代表一个CPU周期菱形框:判别或测试:执行过程 :公操作用框图语言表示的典型指令周期 二、时序信号产生器 组合逻辑控制器:主状态周期-节拍电位 -节拍脉冲 主状态周期(最大的时间单位):用触发器的状态持续时间表示 节拍电位:表示一个 CPU周期 节拍脉冲:最小的时间单位 微程序控制器:节拍电位-节拍脉冲例:一个微程序控制器的时序信号产生器 二、时序信号产生器二、时序信号产生器 二、时序信号产生器 工作过程: (1)总清信号( CLR )使触发器 C4置“l ”,与非门 3打开,第一个正脉冲 通过门 3 反相,使触发器 C1C3 清“0”。 (2)经过
6、半个主脉冲周期 (10ns )的延迟,触发器 C4由“l ”状态翻转到 “0”状态, 再经过半个主脉冲周期的延迟后, 第二个脉冲 的上升沿(即第一个 的下降沿) 作移位信号,使触发器 ClC3 变为“100”状态。 (3)第二个 、第三个 连续通过门 2形成移位信号,使 ClC3相继变为 “110”、 “ lll ” 状态,。T1=C1C2 ,T2=C2C3, T3=C3 ,T4=C1 二、时序信号产生器三、CPU的控制方式1、同步控制方式 2、异步控制方式 3、联合控制方式 5.3 微程序设计技术和微程序控制器 微程序控制的基本原理:从物理的观点:微操作信号 各种电信号 组合逻辑设计:按数字
7、逻辑的方法产生所需要的电信号 编码的观点: 将不同周期或节拍的微操作进行编码(微指令), 并存入存储器 (ROM) 。 运行时 , 读出微指令并译码, 产生所需 要的各种操作控制信号。 一、微程序设计技术 基本概念: 1、微命令和微操作 2、微指令和微周期 3、微程序与机器指令 4、控制存储器 若干微命令编制成一条微指令,控制实现一步操作; 若干微指令组成一段微程序,解释执行一条机器指令; 微程序事先存放在控制存储器中,执行机器指令时再取出。 二、微指令的基本结构1、基本格式3、机器指令与微指令的关系三、微程序设计 关键:确定微指令的结构 设计目标: 缩短微指令字长度 提高速度有利于修改 有利
8、于微程序设计的灵活性2、微地址的形成方法(1)微程序入口地址的形成4、微指令的执行方式 (1)串行执行方式: 顺序方式,即取微指令、执行微指令完全按顺序进行 (2)并行执行方式:重叠执行方式,即取微指令、执行微指令在不同的部件中同 时进行 5、动态微程序设计和毫微程序设计5.4 组合逻辑控制器 5.4 组合逻辑控制器 5.4 组合逻辑控制器微程序设计示例 微程序设计示例 微程序设计示例 微程序设计示例一、流水线的基本概念二、流水线分类 1、指令流水线 2、算术流水线 3、处理机流水线三、流水线中的问题 1、分支控制问题 2、流水线中的拥挤问题 3、数据相关问题5.5 CPU 中的流水线结构 重
9、叠解释方式的提出:解释一条机器指令的那些微操作可分解成取指令、分析指 令与执行指令,从时间上看如下图所示。5.5.1 流水线工作原理(1/5) 一、基本概念 流水线技术是将一个重复的时序过程分解成若干个子过程,每一个子过程都可 有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。 流水线工作过程的描述:采用时(间)-空(间)图的方法。描述的是指令执行流水线的时-空 图。 流水技术特点: ( 1)流水线可分成若干个互有联系的子过程(功能段); ( 2)实现子过程的功能段所需时间尽可能相等,避免因不等而产生处理的瓶颈,形成流水 现的断流。 ( 3)形成流水处理,需要一段准备时间,称“ 通过时间 ” 。只有
10、在此之后流水过程才稳定。 ( 4)指令流发生不能顺序执行时,会使流水过程中断,再形成流水过程,则需要“ 通过时 间” ,所以流水过程不应常断流,否则效率就不会很高。5.5.1 流水线工作原理(2/5) 6.5.1 流水线工作原理(3/5) 二、 流水线的分类 流水结构不仅在指令的执行过程中用来提高处理速度,而且可以用于各种大量重复的时序过程,如浮点数相加等。因此就有按不同结构和不同观点进行的不同分类。 (1)按完成的功能分类 单功能流水线:只能完成一种固定功能的流水线,如只能实现浮点数加法运算。 多功能流水线:同一个流水现可有多种联接方式来实现多种功能。 (2)按同一时间内各段之间的联接方式分
11、类 静态流水线:同一时间内,流水线的各段只能按同一种功能的联接方式工作。动态流水线:同一时间内,流水线的各段可按不同运算的联接方式工作。如在流水线中有些 段完成浮点加法,有些段实现定点乘法。5.5.1 流水线工作原理(4/5) (3)按流水的级别分类 部件级流水线:又称运算操作流水线。它是指处理机的算术逻辑部件分段,使各种数据类型能进行流水操作。 处理机级流水线:又称指令流水线。它是指在指令执行过程中划分成若干功能 段,按流水方式组织起来。 处理机间流水线:又称宏流水。它是指两台以上的处理机串行地对同一数据流 进行处理,每台处理机完成一个任务。 (4)按数据表示分类 标量流水处理机:只能对标量
12、数据进行流水处理。 向量流水处理机:它具有向量指令,能对向量的各元素进行流水处理。 5.5.1 流水线工作原理(5/5) 三、相关处理与控制 要使流水线发挥高效率,就是要使流水线连续不断地流动,尽量不出现断流情 况。但是断流现象是不可避免的,其原因除了编译形成的目的程序不能发挥流水 线结构的作用外,就是存在三种相关冲突,即资源相关、数据相关和控制相关, 使得流水线的不断流难以实现。 (1)资源相关 (2)数据相关 (3)控制相关 本章小结 中央处理器CPU 是计算机的核心部件,具有程序控制、操作控制、时间控制、数据加工等基本技 能。CPU从储存器取出一条指令并执行这条指令的时间称为指令周期。由
13、于各种指令的操作功能不 同,各种指令的指令周期是不尽相同的。划分指令周期,是设计操作控制器的重要依据。 计算机的基本过程主要是指执行指令的过程,可以分为三个阶段:取指令; 分析指令; 执行指令。 时序系统的功能是为指令的执行提供各种操作定时信号。时序部件是计算机的机内时钟,它用其 产生的周期状态、节拍电位及时标脉冲去对指令周期进行时间划分,刻度和标定。CPU的控制方式有同步控制方式、异步控制方式、同异步控制方式三种。 微程序设计技术是利用软件方法设计控制器操作的一门技术,具有规整器、灵活性、可维护性等 一系列优点。流水 CPU 是以时间并行性为原理构造的处理器,是一种非常经济而实用的并行技术。