K11第5章中央处理器

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1、第5章 中央处理器（CPU）第5章 中央处理器（CPU）5.1 控制器的基本概念 5.2 时序系统与控制方式 5.3 指令的执行过程 5.4 微程序控制原理 5.5 微程序设计举例 5.6 硬布线控制器 5.7 流水线处理技术1第5章 中央处理器（CPU）5.1 控制器的基本概念5.1.1 控制器的功能 5.1.2 控制器的基本组成 5.1.3 控制器的实现方法控制器是计算机的控制和指挥中心，它负责对 指令进行译码，产生一系列控制信号，指挥和 协调计算机各部件工作。2第5章 中央处理器（CPU）5.1.1 控制器的功能1）操作控制功能 2）指令顺序控制功能 3）时序控制功能 4）对异常和某些请

2、求的处理功能 （1）异常 （2）中断 （3）DMA请求或其它主控设备的总线请求3第5章 中央处理器（CPU） 5.1.2 控制器的组成4第5章 中央处理器（CPU）1）指令部件（1）程序计数器PCPC是用来提供下一条要执行的指令的地址在程序顺序执行时，由PC自动增1功能提 供下一条指令的地址。 （2）指令寄存器IRIR用来存放当前从主存中取出的指令。指令存放于IR中，直到被下一条取出的指 令所取代。5第5章 中央处理器（CPU）（3）指令译码器IDID的功能是对存放IR中的操作码进行译码 。经ID输出的一系列控制电位反映该指令 的操作性质 。 （4）地址形成部件地址形成部件的功能是根据指令的寻

3、址方式 ，形成有效地址。 有效地址地址寄存器AR (操作数的地址) 有效地址PC (跳转的目标地址)6第5章 中央处理器（CPU）2）时序部件n时序部件是用来产生机器中的各种时序信 号，对各种操作实施时间上的控制。 （1）脉冲源脉冲源是机器的主频信号，为机器提供 时间基准。它由外接高稳定度的晶体振荡器产生， 具有一定占空比。例如：占空比1/37第5章 中央处理器（CPU）（2）启停线路开放和封锁脉冲，控制时序信号的发生和 停止 ；保证起动时输出的第一个脉冲和停止时的 最后一个脉冲都是完整的。 （3）节拍信号发生器节拍信号分为节拍电位和节拍脉冲节拍电位：用于控制数据通路中代码的传 送或数据的运算

4、。节拍脉冲(工作脉冲）：用于寄存器接收代 码的选通信号。8第5章 中央处理器（CPU） 3）微操作信号发生器（时序控制信号形成部 件）根据指令操作码译码结果和时序信号及状态 标志，产生各种操作控制信号，以便正确地 建立数据通路，完成取指令和执行指令的控 制。通常把许多寄存器之间传送信息的通路，称 为“数据通路”。 4）中断控制逻辑中断控制逻辑是用来控制中断处理的硬件逻 辑，对于某些外部中断的处理，需要外部中 断逻 辑配合完成。9第5章 中央处理器（CPU）5.1.3 控制器的实现方法n硬布线控制器根据译出的指令各字段的含义，并结合当 前工作状态及时序信号，由组合逻辑电路 形成微操作控制信号。n

5、微程序控制器以存储逻辑取代组合逻辑，根据指令操作 码的译码转向控制存储器取出对应的微程 序，由微指令提供微操作控制信号。10第5章 中央处理器（CPU）5.2 时序系统与控制方式5.2.1 时序系统 5.2.2 时序控制方式11第5章 中央处理器（CPU）5.2.1 时序系统n计算机的协调动作需要时间标志，而时间标 志是用时序信号来体现的。 1）指令周期和机器周期 （1）指令周期完成一条指令所有操作所需要的时间，称 为指令周期。 指令周期通常用若干机器周期(CPU周期) 表示。指令周期长短不同。 12第5章 中央处理器（CPU）（2）机器周期为了便于对执行时间各不相同的指令进行控 制，一般根据

6、指令的操作性质和控制功能， 将各指令分成一些基本操作，每一条指令由 若干个不同的基本操作组成，对每一个基本 操作规定一个基本时间称为机器周期。不同机器周期完成不同的操作。在时序系统 中设置一组周期状态触发器，以标志不同的 机器周期。任一时序只允许其中的一个触发 器为1，以表明CPU当前所处的机器周期。13第5章 中央处理器（CPU）2） 节拍电位和工作脉冲（1）节拍电位一个机器周期内要完成若干个微操作， 这些微操作有的可以同时进行，有的则 按先后次序串行执行。每个微操作都需 要一定的时间，因此需要将一个机器周 期分为若干相等的时间段，每一个时间 段，用一个电平信号宽度对应，称为节 拍电位。节拍

7、电位作为开门/关门控制信号。14第5章 中央处理器（CPU）（2）工作脉冲用于同步触发器的翻转。如：运算结果打入 、周期切换。一个节拍内可以设置一个或几 个工作脉冲。工作脉冲一般处于节拍后部（节拍脉冲）。若机器周期由时钟组成，脉冲的前沿将运算结 果打入寄存器，后沿实现周期切换。时钟电位 作为开门/关门控制信号。15第5章 中央处理器（CPU）节拍电位和工作脉冲配合关系16第5章 中央处理器（CPU）3）总线周期n完成一次总线操作所需的时间称为总线周期 。n总线周期与机器周期的区别在于总线周期是 根据要求出现的。n例如： 8086基本的总线周期17第5章 中央处理器（CPU）4）多级时序系统 （

8、1）三级时序信号间的关系这些时序信号将参与形成各种微操作命令。机器周期节拍工作脉冲18第5章 中央处理器（CPU）（2）时钟周期的时序系统 19第5章 中央处理器（CPU）5.2.2 时序控制方式nCPU的控制方式包含时序控制方式和指令执 行控制方式。n形成控制不同操作序列的时序信号的方法， 称为时序控制方式，其实质反映了时序信号 的定时方式。 1）同步控制方式固定时序控制。受事先确定的时序信号所 控制。每个时序信号的结束意味一个微操 作的完成，随即开始进行后继的微操作。20第5章 中央处理器（CPU）同步控制方式可选取的三种方案：（1）定长机器周期 （2）不定长机器周期。 （3） 中央控制与

9、局部控制结合。n同步控制方式的特点设计简单，容易实现影响指令的执行速度21第5章 中央处理器（CPU）2） 异步控制方式n每条指令、每个操作控制信号需要多少时间 就占用多少时间。当控制器发出某一操作控 制信号后，等待执行部件完成操作后发回“ 回答”信号，再开始新的操作。没有统一的 时钟，各功能部件拥有各自的时序信号。n异步控制方式的特点没有时间上的浪费，提高了机器的效率；分散控制，比较复杂。22第5章 中央处理器（CPU）3） 联合控制方式n同步控制和异步控制相结合的方式。n大部分操作序列安排在固定的机器周期中， 对某些时间难以确定的操作则以执行部件的“ 回答”信号作为本次操作的结束。例如CP

10、U访问主存时，依靠其送来的 “READY”信号作为读写周期的结束。n常用：部件内同步，部件间异步23第5章 中央处理器（CPU）5.3 指令的执行过程5.3.1 CPU的基本功能元素 5.3.2 指令执行的基本过程 5.3.3 指令执行的微操作序列24第5章 中央处理器（CPU）5.3.1 CPU的基本功能元素逻辑函数启动信号二进制 存储位元读写1）门n实现逻辑功能，采用电位控制数据流，无记 忆功能 2）存储位元n存储一位数据的元件，采用脉冲打入数据， 有记忆功能25第5章 中央处理器（CPU）例如：26第5章 中央处理器（CPU）5.3.2 指令执行的基本过程nCPU的工作过程就是执行指令序

11、列的过程。 1）取指令 2）分析指令 （1）指令译码产生微操作控制信号 （2）计算操作数的有效地址 （3）取操作数对于分页式或分段式存储器结构需要将有 效地址与段或页基址组合形成物理地址送 主存取出操作数。 3）执行指令 4）响应中断或DMA请求27第5章 中央处理器（CPU）PC28第5章 中央处理器（CPU）5.3.3 指令执行的微操作序列n从指令的微操作序列说明一条指令的执行过程。n微操作序列是与CPU的内部数据通路密切相关。指令格式加法指令完成的功能： (rs1)+disp)+(rs)rd (rd、rs为同一R）设加法指令采用四个机器周期(每个机器周期包含 T1、T2）： 取指、计算有

12、效地址、取数、运算及送结果操作码rs、rdrs1（源1）Imm（disp）29第5章 中央处理器（CPU）30第5章 中央处理器（CPU）31第5章 中央处理器（CPU）1）取指PCAB访存控制命令ADS=1（T1周期）、 M/IO=1、 W/R=0DB IRPC+12）计算有效地址送AR，即(rs1)+disp ARrs1GR、 (rs1)ALU、disp ALU“+”ALUAR32第5章 中央处理器（CPU）3）取数ARAB访存控制命令ADS=1（T1周期)、 M/IO=1、W/R=0DBDR4）运算及送结果、置状态标志rs、rdGR、 (rs) ALU、 DRALU“+”ALUGR、 置

13、N、Z、V、C标志33第5章 中央处理器（CPU）JC A1）取指(PC)AB访存控制命令 ADS=1（T1周期）、M/IO=1、W/R=0DB IR(PC)+1 2）分析执行 If c=0 then end If c=1 thenPCALU、dispALU“+”ALUPC34第5章 中央处理器（CPU）5.4 微程序控制原理5.4.1 微程序控制的基本概念 5.4.2 实现微程序控制的基本原理 5.4.3 微指令编码法 5.4.4 微程序流的控制 5.4.5 微指令格式及执行方式 5.4.6 微程序设计技术的应用 35第5章 中央处理器（CPU）5.4.1 微程序控制的基本概念1）微命令和微

14、操作控制部件通过控制线向执行部件发出各种控 制命令，通常把这种控制命令叫做微命令， 它构成控制序列的最小单位。执行部件接受微命令后所进行的操作，称为 微操作，它是最基本的、不可再分解的操作 。相容性的微操作：指在同一个微周期内可以 并行执行的微操作。（相容性微命令)互斥性的微操作：指不能在同一个微周期内 并行执行的操作。（互斥性微命令）36第5章 中央处理器（CPU）2）微指令和微地址在一个微周期中，一组实现一定操作功能的微 命令的组合，构成一条微指令（控制字）。微指令组成操作控制字段：用来发出管理和指挥全机 工作的工作信号。位信息为“1”时，表示发出微命令；位信息为“0”时，表示不发微命令。

15、顺序控制字段（下址字段）：用来控制产 生下一条微指令的地址。微指令存放在控制存储器中，存放微指令的控 制存储器的单元地址称为微地址。37第5章 中央处理器（CPU）3）微周期（机器周期或节拍）从控存中读取一条微指令并执行相应的一 组微命令所需的全部时间 4）微程序 一条机器指令的功能是用许多条微指令组 成的序列来实现的，这个微指令序列称为 微程序。38第5章 中央处理器（CPU）微程序控制计算机涉及两个层次传统机器层:机器指令工作程序主存储器微程序层：微指令微程序控制存储器39第5章 中央处理器（CPU）5.4.2 实现微程序控制的基本原理 1）微程序实现加法指令 设ALU能进行+、-、 、

16、四种运算40第5章 中央处理器（CPU）加法指令对应控制信号的序号n用4个机器周期完成，每个机器周期用一条 微指令产生微操作命令。取指微指令的微命令序号： 1、3、5、21、22、23计算有效地址微指令的微命令序号： 4、8、10、13、19取数微指令的微命令序号： 6 、20 、21、22、23运算及送结果微指令的微命令序号： 9、11、12、13、1741第5章 中央处理器（CPU）微指令格式12232435操作控制字段顺序控制字段(PC)ABALU PCW/R设控存容量为4K字42第5章 中央处理器（CPU）微程序流程图的表示43第5章 中央处理器（CPU）2）微程序控制器基本工作原理44第5