第5章中央处理器

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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。