中央处理器与指令系统

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1、第四章 中央处理器与指令系统 本章要点：CPU的内部组成及控制器的实现方 法。8086/8088微处理器的结构， Pentium和Pentium 4 CPU的特点及采 用的新技术。指令系统中指令格式及指令功能 的分类，指令的寻址方式。精简指令 系统的特点。 中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件。它 控制程序的执行，完成数据的处理和输入输出设 备的控制，具有以下基本功能：（1）对指令译码、寄存并执行。 （2）算术运算和逻辑运算。 （3）暂存少量的数据。 （4）在存储器、输入/输出接口之间传送数据。 （5）响应输入/输出设备的中断请求。 （6）为系统提供定时和控制信号。CPU的组成包括运算器

2、，寄存器，控制器 ，时钟电路，（某些CPU中还包括一定容 量的ROM、RAM存储器），见下图通用 寄存器组运算寄存器ALU标志寄存器执行 控制 电路指令队列 缓冲器IO 控制 电路4个 段寄存器 1个 IP寄存器 内部 寄存器外 围 总 线4.1.1 运算器 运算器是加工处理数据的功能部件。 运算器主要由下列部件组成： 算术逻辑单元（ALU）完成二进制信息的定点算术运算，逻辑运算，移位操 作 通用寄存器和状态标志寄存器存放数据，运算的中间、最后结果，运算后的各种状 态标志 有的CPU中包含浮点处理单元 算术逻辑单元和通用寄存器的位数决定了CPU的字长。4.1.2 寄存器组（Register）

3、寄存器：是CPU中的重要组成部分，是 CPU内部的临时存储单元。 存放内容：数据、地址、控制信息、CPU 的工作状态信息。 寄存器增加可以提高CPU运行速度。 分类：数据寄存器、地址寄存器、标志状 态寄存器、控制寄存器和一些其它作用的 寄存器。但总体可分为通用寄存器和专用 寄存器两大类。一、通用寄存器组 在运算中存储数据与地址Intel 8086/8088(16位) 机有： AX,BX,CX,DX,BP,SP,SI,DI Intel 80486(32位)机有： EAX,EBX,ECX,EDX,EBP,ESP,ESI,EDIIntel Pentium CPU有以下8个32位的通用寄存器 EAX：

4、累加器，存放算术和逻辑运算的操作数。 EBX：基址寄存器，可以暂存数据，也可以在访问内存时存放基 地址。 ECX：计数寄存器，在循环和字符串操作指令中存放循环次数。 EDX：数据寄存器，暂存数据。 ESP：堆栈指针寄存器，每执行一次进栈或出栈操作后，SP就自 动增减，使堆栈指针寄存器的内容始终指向内存堆栈区的栈顶地 址。 EBP：基址指针寄存器，可以暂存数据，也可以在访问内存时存 放基地址。 ESI：源变址指针寄存器，在字符串操作指令中存放源操作数的 内存地址。 EDI：目标变址指针寄存器，在字符串操作指令中存放目标操作 数的内存地址。 二、专用寄存器 保存系统运行必需的重要数据。 标志寄存器

5、（Flag Register）用于存放ALU工作时产生的状态信息。 V D I T S Z A P C15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0进位标志位奇偶标志位辅助进位位零标志位结果符号位 单步标志位中断允许位方向标志位 溢出标志位每一位单独使用，称为标志位。 状态标志：反映了ALU当前的工作状态，可作为条 件转移指令的转移条件； 控制标志：用于控制CPU的某种操作。 下图给出了8086的标志寄存器的标志位信息。注：可通过看书上的 图41进一步理解 CPU标志寄存器的发 展演化和每个标志位 的作用。 指令寄存器IR（Instruction Register）

6、用于存放将要执行的指令。 指令指针寄存器IP，又称指令计数器。用于产生和存放下条待取指令的地址。 堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的地址。 变址寄存器变址寻址中存放基础地址的寄存器其它的专用寄存器3. 段寄存器 现在的计算机内存容量比较大，可以采用分段管理，就是把内 存的存储空间分成段，例如将64KB存储空间分为一段，以段为单位 为用户分配存储空间。存储单元的地址是由它所在逻辑段的段基地 址和段内偏移地址两部分组成，段寄存器就是存放段基地址的。 如Intel Pentium CPU有6个32位的段寄存器： CS代码段寄存器。代码段存放当前执行程序的指令代码，CS 存放的代码段基地址和指令指针IP

7、一起指向下一条要取出的指令的 物理地址。 DS数据段寄存器。数据段通常用来存放数据和字符，DS存放 的数据段基地址和基址寄存器BX一起指向要访问的内存单元地址。 SS堆栈段寄存器。堆栈是在存储器中开辟的一个特殊存储区域 ，堆栈操作遵循先进后出的原则。SS存放的堆栈段基地址可以和堆 栈指针SP一起指向栈顶地址，也可以和基址指针BP一起指向要访 问的内存单元地址。 ES、FS、GS都称为附加段寄存器。 一、控制器的功能和组成 1、基本功能 ：取指令、指令译码、执行指令 。 2、组成：一般由指令指针寄存器IP、指令 寄存器IR、指令译码器ID、控制逻辑电路和 时钟控制电路等组成。控制器是指挥与控制整

8、台计算机各功能部件 协同工作、自动执行计算机程序的部件。4.1.3 控制器时钟控制电路由时钟脉冲发生器(石英晶体振荡器)和启停控制电路组成。 1、石英晶体振荡器产生一定频率的时钟脉冲信号，作为整 个机器的时间基准源。 2、主频称为主机振荡频率，它的高低取决于这台计算机的 CPU的适应能力。 3、时钟周期：主频的倒数,表示相邻脉冲的时间间隔。 4、指令周期：执行一条指令所需要的时间。 5、机器周期 ：将指令周期划分成几个时间段，每个阶段称 为一个机器周期。 一般：时钟周期机器周期指令周期二、时钟控制电路为每条指令按时间顺序执行提供基准信号。控制逻辑电路用来管理执行每条指令时所产生的一系列基本动作

9、。指挥各部件协同动作完成指令规定的功能。 微程序控制固化软件的微程序控制方法 优：充分利用当前系统的硬件，指令修改调试方便。 缺：每条指令由多条微指令实现，多次访问控制存储器，缓慢、费时。复杂指令系统计算机（CISC）多用。 硬布线控制逻辑硬件控制指令执行的方法优：速度快 缺：不容易修改和扩展精简指令系统计算机（RISC）采用。三、控制逻辑电路的实现微程序控制和硬布线逻辑1、冯诺依曼型计算机工作原理按顺序依序逐条、串行执行指令。例如：加法指令执行过程： 取指1 译码1 取数1 运算1 存数1取指2 译码2 取数2 运算2 存数22、流水线思想的提出：把程序中的多条指令在时间上重叠起来 执行，能

10、否显著提高机器速度呢？特点：控制简单 ，速度低，机器各部件利用率低。4.1.4 流水线工作原理3、指令的重叠执行流水线工作原理五条指令重叠执行情况：1T 2T 3T 4T 5T 机器执行时间 取指1 译码1 取数1 运算1 存数1 取指2 译码2 取数2 运算2 存数2 取指3 译码3 取数3 运算3 存数3取指4 译码4 取数4 运算4 存数4取指5 译码5 取数5 运算5 存数5可见，若将一条指令的执行时间分为五段, 每段所用时 间为T，则一条指令执行时间为5T。系统工作正常后每隔T时 间就得到一条指令的处理结果。平均速度提高了4倍。这种工 作方式称为流水线处理。优点： 流水线把取指与执行

11、分开，使取指与执行同时 进行，减少了取指等待时间，大大提高了CPU的利用率。同时 降低了对与之匹配的存储器的存取速度要求。 问题：可能出现数据相关现象；频繁执行条件转移指令 或中断指令会影响机器速度。当遇到条件转移指令时，确定转移与否的条件码往往是由 条件转移指令的条件来决定下条指令的地址，因此当条件转移 指令进入流水线后直到确定下一地址以前，流水线不能继续处 理后面的指令而处于等待状态，因而影响流水线效率。在某些计算机中，采用“猜测法”解决此问题，即计算机先选 定转移分支中的一种情况取指令并处理。假如条件码生成后说 明猜测是正确的，则继续执行下去。假如猜错了，则要返回程 序的分支点，重新执行

12、正确的分支程序。猜测过程如图4-4所 示。 4. 处理条件转移的方法一种是“不精确断点法”，即对于中断请求后的后续指令不 允许再进入流水线，已在流水线中的所有指令仍然执行完 毕，然后才转入中断处理程序； 另一种方法是当前大部分流水线计算机采用的“精确断点 法”，即当第i条指令不论在流水线的哪一个阶段发出中断 请求，中断处理程序的现场对应的都是第 i条指令的，在 第 i条之后进入流水线的指令的原有现场都能恢复。“精 确断点法”需要采用很多的后援寄存器，以保证流水线内 的各条指令的原有状态的保存和恢复。 5. 处理中断的方法当IO设备有中断请求或计算机有故障时，要求中止当前程 序的执行而转入中断处

13、理程序，但是在流水线中往往还存在几条 正在处理的指令，那么就有一个如何断流的问题。流水线计算机 处理中断的方法有两种：4.2.1 8086微处理器Intel公司1978年研制成功时钟频率：4.7MHz10MHz2.9万个晶体管、91种指令由EU执行单元和BIU总线接口单元组成20位地址总线,寻址能力220=1048576=1(MB)16位数据总线4个16位通用寄存器：AX,BX,CX,DX,5个16位地址指针寄存器：IP,BP,SP,SI,DI4个16位段基址寄存器：CS,DS,SS,ES1个16位标志寄存器：FR4.2 Intel 80X86微处理器一、8088微处理器的内部结构u8086/

14、8088CPU对可寻址的1MB空间划分为很多个逻辑段 ，每个逻辑段小于64KB，段内地址是连续的。u1、段基址uCS指示当前的代码段；uDS指示当前的数据段；uSS指示当前的堆栈段；uES指示当前的附加段。u2、逻辑地址u对存储器的任一位置的访问都是在该位置所在的段基址下 进行的。u逻辑地址形式为：段基址：段内位移u例如，位于数据段DS=2000H，偏移地址为109AH的存储 单元的逻辑地址为：2000:109A 二、存储器的分段结构u3、物理地址u4、堆栈堆栈是由若干个连续 的存储单元组成的先进后 出（FILO）存储区，常用 堆栈指针寄存器SP指示 栈顶位置。8086：数据进栈时SP-2，

15、出栈时SP+2 。u堆栈主要用于保护现场， 保护断点。物理地址019段寄存器015 0000指针寄存器015逻 辑 地 址物理地址形成过程u物理地址u=（段基址）16+（段内偏移）u如存储单元2000:109Au对应的物理地址为： 20000H+109AH=2109AHCPU完成一次对存储器或I/O端口访问所需要的时间 8086/8088一个基本总线周期由4个时钟周期组成,习惯上 称4个T状态.分别为T1,T2,T3,T4状态. T1状态, CPU往多路复用总线上发地址信息 T2状态, CPU从总线上撤销地址,总线的高4位输出本总 线周期的状态信息,低16位高阻态. T3状态, 多路总线的高4位继续提供状态信息,低16位传 输数据. TW状态, 等待状态,总线上信息与T3状态信息相同.此状 态为配合CPU和外设数据传输,外设通过READ