《《计算机组成原理（第二版）》 第9章 CPU的结构与功能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《计算机组成原理（第二版）》 第9章 CPU的结构与功能（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019年5月24日星期五,2019年5月24日星期五,第九章 CPU的结构与功能,重点内容： 处理器组织； 寄存器组织； 控制器； 指令周期； 时序产生器； 指令流水。 计算机的基本功能是执行程序，计算机的核心组成部分是CPU，由运算器和控制器组成。控制器根据指令指挥和协调计算机各部件有条不紊地工作，由操作控制器和时序控制器组成。根据CPU的基本功能设计CPU内部的基本部件和结构。,2019年5月24日星期五,9.1 CPU的组织,计算机系统的基本组成主要包括3个部分：中央处理器（CPU）、存储器和I/O系统，它们之间通过总线连接起来。 运算器和控制器共同构成CPU，它是计算机系统的核心。计
2、算机接通电源后，如果没有程序，不会工作，程序必须编译成计算机所能识别的机器指令后，装入内存，才可以由计算机来自动完成取指令、译码和执行指令等任务。计算机中就是由CPU来完成这项工作的。,2019年5月24日星期五,9.1.1 CPU的功能, 指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，严格按程序规定的顺序进行，因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。 操作控制：一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行操作。
3、时间控制：对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。 数据加工：所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，是CPU的根本任务，因为，原始信息只有经过加工处理后才能对人们有用。,2019年5月24日星期五,9.1.2 CPU的基本组成,控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。它的主要功能有： 从内存中取出一条指令，并指出下
4、一条指令在内存中的位置。 对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。 指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。 运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（或通用寄存器）、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。,2019年5月24日星期五,9.1.2 CPU的基本组成,简化的CPU视图,2019年5月24日星期五,9.2 寄存器组织,CPU中的寄存器按功能可分为如下两类： 用户可见寄存器（User-Visible Register）：允许机器语言或汇编语言的编程人员通过优化寄存器的使用而减少对主存的访问。 控制和状态寄存器（Con
5、trol And Status Register）：用来控制CPU的操作并被特权的操作系统程序用于控制程序的执行。,2019年5月24日星期五,9.2.1 用户可见寄存器,通用寄存器（General Purpose Register）可被程序员指派各种用途。有时，它们在指令集中的使用是正交于操作的，即任何通用寄存器能为任何操作码容纳操作数。这提供了真正通用的意义。 数据寄存器仅可用于保持数据而不能用于操作数地址的计算。 地址寄存器可以是自身有某些通用性，或是专用于某种具体的寻址方式。 条件代码（Condition Codes）寄存器，也被称为程序状态字（Program Status Word，
6、PSW），CPU硬件设置这些条件位作为操作的结果。,2019年5月24日星期五,9.2.2 控制和状态寄存器, 程序计数器（PC）：含有待取指令的地址。 指令寄存器（IR）：含有最近取来的指令。 存储地址寄存器（MAR）：含有存储器位置的地址。 存储缓冲寄存器（MBR）：也称为存储数据寄存器（MDR），含有将被写入存储器的数据字或最近读出的字。,2019年5月24日星期五,简单CPU模型,2019年5月24日星期五,9.2.3 操作控制器和时序控制器,操作控制器可分为时序逻辑型和存储逻辑型两种。第一种称为硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的，它的优点是速度快，缺点是结构不规整，设计、调试
7、、维护较困难；第二种称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的，优点是设计规整，调试、维护、扩充指令方便。 操作控制器产生的控制信号必须定时，为此必须有时序产生器。因为计算机高速地进行工作，每一个动作的时间是非常严格的，不能太早也不能太迟。时序产生器的作用，就是对各种操作信号实施时间上的控制。,2019年5月24日星期五,9.3 控制器组织,控制器的功能是，从存储器中取指令，对指令译码产生控制信号并控制计算机系统各部件有序地执行，从而实现指令的功能。为了实现控制器的这些功能，需要配备相应的器件。,2019年5月24日星期五,9.3.1 控制器的基本组成,（1）指令寄存器（IR） 用来存放由内存
8、取出的指令，在指令执行过程中指令一直保存在IR中。指令是控制工作的依据，IR内容的改变就意味着一条新指令的开始。 （2）程序计数器（PC） 用来存放即将执行的指令地址，具有计数器的功能，PC的值是程序执行位置的体现。当程序开始执行时，PC内装有程序的起始位置的体现。当程序顺序执行时，每执行一条指令PC增加一个量，这个量等于指令所含的字节数（这就是为什么称为程序计数器的原因）。当程序转移时，转移指令执行的最终结果就是要改变PC的值，此PC值就是转去的地址，以此实现转移。在有些机器中PC也被称为指令指针（Instruction Pointer，IP）。 （3）时序部件 用于产生计算机系统所需的各种
9、时序（定时）信号，计算机中的各种控制信号都有很强的定时性。指令告诉计算机做什么，由时序线路确定什么时候去做。时序线路由脉冲源、启停线路负责时钟信号的通断。时序形成线路负责生成周期信号，节拍信号和节拍脉冲信号。,2019年5月24日星期五,9.3.1 控制器的基本组成,（4）程序状态字寄存器（PSW） PSW用来存放两类信息：一类是体现当前指令执行结果的各种状态信息。例如有无进位（CF位）、有无溢出（OF）、结果正负（SF）、结果是否为零（ZF位）、奇偶标志（PF位）等；另一类是存放控制信息，例如允许中断（IF位）、跟踪标志（TF位）等。有些机器中将PSW称为标志寄存器（Flag Registe
10、r，FR）。实际上不同的机器其状况信息的内容和名称并不完全相同。 （5）微操作形成部件 根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）以及时序线路3方面的内容，由微操作控制形成部件产生控制整个计算机系统所需要的各种控制信号（也称微命令或微操作），操作形成方式有组合逻辑和微程序两种方式，其形成部件的结构也大不相同。根据微操作的形成方式可将控制器分为组合逻辑控制器（或硬布线控制器）和微程序控制器两大类。,2019年5月24日星期五,9.3.2 指令执行的基本过程,（1）取指令阶段 取指令阶段对所有指令都是相同的，它是将程序计数器（PC）的内容作为地址去读内存，将该单元的内容即指令读出送往指令寄存
11、器（IR）。同时PC的内容自增，指向下一条指令，也就是说取指令是一次内存的读操作。 （2）取操作数阶段 取操作数仅针对操作数存放在内存的情况。由于寻址方式的不同（直接、间接、基址、相对、变址等），取操作数的过程也大不相同，取操作数是一次或多次内存的读操作，还可能包括操作数地址的计算（如变址、基址、相对等）。 （3）执行指令阶段 执行指令是根据指令操作码对操作数实施各种算术、逻辑及移位操作。对于结果地址在内存的，还应包括一次内存的写操作。对于转移指令或子程序调用及返回等指令，应对PC的内容进行更新。,2019年5月24日星期五,9.3.3 控制器的时序系统,计算机的协调动作需要时间标志，而时间标
12、志则是用时序信号来体现的。一般来说，控制器发出的各种控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部件位置）的函数。 时序系统的作用就在于将各种控制信号严格定时，使多个控制信号在时间上相互配合完成某一功能。,2019年5月24日星期五,9.3.3 控制器的时序系统,1组合逻辑控制器的时序系统 控制器组成有组合逻辑方式和微程序方式，相应地其时序系统也有区别。组合逻辑控制器中，将时序信号分为指令周期、CPU周期、节拍周期和节拍脉冲 。,2019年5月24日星期五,9.3.3 控制器的时序系统,2微程序控制器的时序系统 与组合逻辑控制器的时序系统相比，微程序控制器的时序系统要简单得多，在微程序控制方式
13、中，是将一条机器指令转化为一段有微指令组成的微程序。微指令的读取和执行所用的时间定义为微程序控制器的基本时序单位，称为“微周期”。也就是说，在微程序控制方式中，只有指令微周期，没有CPU周期。 一个指令周期由若干个微周期组成。微周期包括读取微指令和执行微指令，其中读取微指令所需时间取决于控制存储器（CM）的读出时间，而执行微指令所需的时间大致与组合逻辑控制器时序中的节拍周期相同，是以CPU内部寄存器到寄存器之间的数据传输，或ALU的一次运算所需的时间为基准。由于多数控制存储器的读出时间较长（与组合电路的延迟相比较），微程序控制方式的执行速度要低于组合逻辑控制器。,2019年5月24日星期五,【
14、例9-1】什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系?,指令周期是CPU 取出并执行一条指令所需的全部时间，即完成一条指令的时间。机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间，通常以存取周期作为机器周期。时钟周期是机器主频的倒数，也可称为节拍，它是控制计算机操作的最小单位时间。 一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期，每个指令周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期内的时钟周期数也可以不等。,2019年5月24日星期五,【例9-2】能不能说机器的主频越快，机器的速度就越快？为什么？,不能说机器的主频越快，机器的速度就越快。因为机器的速度不仅与主频有关，还与机器周期
15、中所含的时钟周期数以及指令周期中所含的机器周期数有关。同样主频的机器，由于机器周期所含时钟周期数不同，机器的速度也不同。机器周期中所含时钟周期数少的机器，速度更快。 此外，机器的速度还和其他很多因素有关，如主存的速度、机器是否配有 Cache、总线的数据传输率、硬盘的速度以及机器是否采用流水技术等。机器速度还可以用MIPS（每秒执行百万条指令数）和CPI（执行一条指令所需的时钟周期数）来衡量。,2019年5月24日星期五,【例9-3】设某机主频为8MHz，每个机器周期平均含2个时钟周期，每条指令的指令周期平均有2.5个机器周期，试问该机的平均指令执行速度为多少MIPS？若机器主频不变，但每个机
16、器周期平均含4个时钟周期，每条指令的指令周期平均有5个机器周期，则该机的平均指令执行速度又是多少MIPS？由此可得出什么结论？,根据主频为8MHz ，得时钟周期为1/8 0.125s，机器周期为0.1252 0.25s，指令周期为0.252.5 0.625s。 平均指令执行速度为1/0.625 1.6MIPS。 若机器主频不变，机器周期含4个时钟周期，每条指令平均含5个机器周期，则指令周期为0.12545 2.5s ，故平均指令执行速度为1/2.5 0.4MIPS。 可见机器的速度并不完全取决于主频。,2019年5月24日星期五,9.3.4 控制器的基本控制方式,计算机的基本工作原理是由指令实现控制。指令的操作不仅涉及CPU内部，还涉及内存和I/O接口。另外，指令的繁简程度不同，所需要的执行时间也有很大差异。 如何根据具体情况实施不同的控制，就是控制方式所需要解决的问题。根据是否有统一的时钟，控制方式可分为同步控制方式、异步控制方式和准同步控制方式。,2019年5
