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1、第第 五五 章章 5.1.1 中央处置器的功能中央处置器的功能CPU具有如下四方面的根本功能：具有如下四方面的根本功能：5.1 中央处置器的功能和组成中央处置器的功能和组成1指令控制：程序的顺序控制。指令控制：程序的顺序控制。2操作控制：把各种操作信号送往相应的部件。操作控制：把各种操作信号送往相应的部件。3时间控制：对各种操作实施时间上的控制。时间控制：对各种操作实施时间上的控制。4数据加工：数据加工：ALU，对数据进展算术运算和逻辑，对数据进展算术运算和逻辑运算处置。运算处置。CPU 的根本组成：运算器、的根本组成：运算器、cache 和控制器三大部分。和控制器三大部分。1. 控制器的主要
2、功能：控制器的主要功能：1从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；存中的位置；2对指令进展译码或测试，并产生相应的操作控制对指令进展译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；信号，以便启动规定的动作；3指挥并控制指挥并控制CPU、内存和输入、内存和输入/输出设备之间数据输出设备之间数据流动的方向。流动的方向。2. 运算器的主要功能：运算器的主要功能：1执行一切的算术运算；执行一切的算术运算；2执行一切的逻辑运算，并进展逻辑测试。执行一切的逻辑运算，并进展逻辑测试。 5.1.2 中央处置器的组成中央处置器的组成CPU 的的组
3、组成成图图CPU控制器控制器运算器运算器程序计数器程序计数器PC指令存放器指令存放器IR指令译码器指令译码器ID时序产生器时序产生器操作控制器操作控制器ALU累加器累加器 AC数据缓冲存放器数据缓冲存放器DR形状存放器形状存放器 PSWDRIR IDPCAR操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器RAMALUAC时钟时钟形状反响形状反响取指控制取指控制执行控制执行控制PC+1 PSW 5.1.3 中央处置器中的存放器中央处置器中的存放器 从存储器读取一条指令从存储器读取一条指令字所用的最短时间。字所用的最短时间。 5.2.1指令周期的概念指令周期的概念5.2 指令周期指令周期 取取1条指令条指
4、令执行指执行指令令开场开场T1T2T3T4T1T2T3T4T1T2CPU 周期周期取指令取指令CPU 周期周期执行指执行指令令指令周期指令周期T周期周期CPU 周期周期五条典型指令组成的一个程序五条典型指令组成的一个程序指令地址八进制机器码助记符注释20250 000CLA清累加器 A21030 030ADD 30A=A+（30）22021 031STA 40间接寻址，A （40）23000 000NOP空指令24140 021JMP 21转移指令. . .30000 006. . .40 5.2.2 CLA 指令的指令周期指令的指令周期非访内指令非访内指令取指令取指令PC+1取指令取指令译码
5、取下一条取下一条指令指令PC+1 执行行 指指 令令取指阶段取指阶段执行指令阶段执行指令阶段20CLA21ADD 3022STA 4023NOP24JMP 2130000 00640取指控制取指控制执行控制执行控制 操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器RAMALU时钟时钟形状反响形状反响PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 20从从 20开场开场PC+1=21202120CLACLACLACLA操作控制器操作控制器时序序产生器生器执行控制行控制ALU0执行行 CLA 指令指令 5.2.3 ADD 30 指令的指令周期指令的指令周期访内存取并执行指令访内存取并执行指令 A+30 A取指令
6、取指令PC+1译指令指令码 取操取操 作数作数 送操作送操作数地址数地址取指取指阶段段执行指令行指令阶段段执行行加操作加操作取下一条取下一条指令指令PC+1CPU周期周期CPU周期周期CPU周期周期20CLA21ADD 3022STA 4023NOP24JMP 213040取指控制取指控制执行控制执行控制 2120操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器RAMALU0时钟时钟形状反响形状反响PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 21继续继续PC+1=22212221ADD 30ADD 30ADD 30ADD 30操作控制器操作控制器时序序产生器生器执行控制行控制303030000 0060
7、60600 0+6=66指令指令终了了执行行 ADD 30 指令指令 5.2.4 STA 40 指令的指令周期指令的指令周期访内存取并执行指令访内存取并执行指令 30 A取指令取指令PC+1译指令指令码 送操送操 作数作数 送操作送操作数地址数地址取指取指阶段段执行指令行指令阶段段执行操行操作作(写写)取下一条取下一条指令指令PC+1CPU周期周期CPU周期周期CPU周期周期20CLA21ADD 3022STA 4023NOP24JMP 2130000 00640取指控制取指控制执行控制执行控制 2221操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器RAMALU6时钟时钟形状反响形状反响PC+1AC
8、DRIRIDPCAR PSW 22继续继续PC+1=23222322STA 40STA 40STA 40STA 40操作控制器操作控制器时序序产生器生器执行控制行控制4040执行行 STA 40 指令指令666指令指令终了了 5.2.4 NOP 和和JMP 指令的指令周期指令的指令周期NOP 空操作指令，空操作指令，JMP 跳转指令跳转指令取指令取指令PC+1译指令指令码 送操作送操作数地址数地址取指取指阶段段执行指令行指令阶段段取下一条取下一条指令指令PC+1CPU周期周期CPU周期周期20CLA21ADD 3022STA 4023NOP24JMP 213040取指控制取指控制执行控制执行控
9、制 2322操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器RAMALU6时钟时钟形状反响形状反响PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 23继续继续PC+1=24232423NOPNOPNOPNOP操作控制器操作控制器时序序产生器生器执行控制行控制指令指令终了了执行行 NOP 指令指令20CLA21ADD 3022STA 4023NOP24JMP 2130000 00640取指控制取指控制执行控制执行控制 2423操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器RAMALU6时钟时钟形状反响形状反响PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 24继续继续PC+1=25242524JMP 21JMP 21JM
10、P 21JMP 21操作控制器操作控制器时序序产生器生器执行控制行控制执行行 JMP 21 指令指令2121指令指令终了了5.1.3 中央处置器中的存放器中央处置器中的存放器20CLS21ADD 3022STA 4023NOP23JMP 213040 21操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器RAMALU时钟时钟形状反响形状反响取指控制取指控制执行控制执行控制PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 样板样板20CLS21ADD 3022STA 4023NOP23JMP 213040操作控制器操作控制器时序产生器时序产生器RAMALU时钟时钟形状反响形状反响取指控制取指控制执行控制执行控制P
11、C+1ACDRIRIDPCAR PSW 20CLS指令指令终了了PC AR ABUSDBUS DR IR PC+1译码或测试译码或测试0 ACIR ARIR ARIR PCPC ARAR ABUS DBUS DR DR ALUALU ACAR ABUS AC DR DR DBUSCLAADDSTAJMPNOP5.2.6 用方框图言语表示指令周期用方框图言语表示指令周期IRPCARMDRR0 R1 R2 R3XYGALUIRiPCi ARiR1iR/WDRiR2i R3iR0ixiyiIRopcoARoDRoR0oR3oR2oR1o+-PC ARPco，G，ARiM DRR/W=RDR IRDR
12、o，G，IRiR1 DRR1o，G，DRiR2 ARR2o，G，ARiDR MR/W=Wi存数指令存数指令 STA R1 , (R2)指令周期流程图指令周期流程图PC ARPco，G，ARiM DRDR IRR2 YR0 XDR0+R2 R0R/W=RDRo，G，IRiR2o，G，YiR0o，G，Xi+ , Gi, R0iADD R2 , R0 5.3.1 时序信号的作用和体制时序信号的作用和体制时序信号的作用：保证计算机能准确、迅速、有条时序信号的作用：保证计算机能准确、迅速、有条 不紊地任务。不紊地任务。 在微程序控制器中，在微程序控制器中，时序信号比序信号比较简单，普通采用，普通采用节拍
13、拍电位位节拍脉冲二拍脉冲二级体制。就是体制。就是说，它只需，它只需严厉节拍拍电位，在位，在节拍拍电位中又包含假位中又包含假设干个干个节拍脉冲拍脉冲时钟周期。周期。节拍拍电位表示一个位表示一个CPU周期的周期的时间，而，而节拍脉拍脉冲把一个冲把一个CPU周期划分成几个周期划分成几个较小的小的时间间隔。根据需隔。根据需求，求，这些些时间间隔可以相等，也可以不相等。隔可以相等，也可以不相等。5.3 时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式5.3.2 时序信号产生器时序信号产生器时序信号产生器的功能是：用逻辑电路实现时序。时序信号产生器的功能是：用逻辑电路实现时序。启停控制逻辑启停控制逻辑节拍脉冲和读
14、写时序译码逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑环形脉冲发生器环形脉冲发生器时钟脉冲源时钟脉冲源IORQ MREQ RDWRT1T2T3T4IORQOMREQORDOWROT1O T2OT3OT4OIORQ MREQRD WR 停机停机启动启动时序信号产生器框图时序信号产生器框图 由石英晶体振荡器和与非门组成的正由石英晶体振荡器和与非门组成的正反响振荡电路组成。反响振荡电路组成。 作用产生一组有序的间隔相等或不作用产生一组有序的间隔相等或不 等的脉冲序列。等的脉冲序列。环形脉冲发生器环形脉冲发生器的两种方式：的两种方式：采用普通采用普通计数器：在数器：在节拍脉冲上拍脉冲上带来毛刺。来毛刺。循循环移位存
15、放器移位存放器1.时钟源时钟源2.环形脉冲发生器环形脉冲发生器脉冲时钟源脉冲时钟源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形形脉脉冲冲发生生器器与与译码逻辑100QQC1DQQC2DQQC3D0001过100 ns之后001QQC11QQC3D0QQC2D0+5V脉冲时钟源脉冲时钟源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形形脉脉冲冲发生生器器与与译码逻辑100QQC1DQQC2DQQC3D0
16、001过100 ns之后001QQC11QQC3D0QQC2D0+5V脉冲时钟源脉冲时钟源QQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形形脉脉冲冲发生生器器与与译码逻辑10样样品品QQC1DQQC2DQQC3D000过100 ns之后3. 节拍脉冲和读节拍脉冲和读 / 写时序的译码写时序的译码根据上图得到，其译码电路逻辑可表示为：根据上图得到，其译码电路逻辑可表示为：T1o= C1* C2T2o= C2 * C2T3o= C3T4o= C1根据上图，节拍电位与节拍脉冲时序关系如下：根据上图，节拍电位与节拍脉冲时序关系如下：读写
17、时序信号的译码逻辑表达式为：读写时序信号的译码逻辑表达式为：RD o= C2* RDWE o= C3* WEIORQ o= C2* IORQMREQ o= C2* MREQWE12345678910C4C3C2C1MREQORDRDWET1T2T3T4节拍拍电位位与与节拍拍脉脉冲冲时序序关关系系图4.启停控制逻辑启停控制逻辑 机器一旦接通机器一旦接通电源，就会自源，就会自动产生原始的生原始的节拍脉冲拍脉冲信号信号T1OT4O，然而只需在启，然而只需在启动机器运机器运转的情况，才的情况，才允允许时序序产生器生器发出出CPU任任务所需的所需的节拍脉冲拍脉冲T1T4 。MREQORDT1T2T3RD
18、OWET4WEOMREQOT2oT3oT4oT1oQQC1DT4o启动启动停机停机CLR启启停停控控制制逻辑5.3.3 控制方式控制方式机器指令的指令周期是由多个机器指令的指令周期是由多个CPU周期组成。周期组成。控制方式有如下四种：控制方式有如下四种：1. 同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执行时同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的，称为所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的，称为同步控制方式。同步控制方式。1采用完全一致的机器周期执行各种不同指令。采用完全一致的机器周期执行各种不同指令。2采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一
19、个采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一个较短的机器周期内完成，对于某些时间紧张的操作，那较短的机器周期内完成，对于某些时间紧张的操作，那么采取延伸机器周期的方法。么采取延伸机器周期的方法。3中央控制与部分控制结合。中央控制与部分控制结合。中央控制：将大部分指令安排在固定的机器周期内完成。中央控制：将大部分指令安排在固定的机器周期内完成。部分控制：对少数复杂指令乘、除、浮点运算采用部分控制：对少数复杂指令乘、除、浮点运算采用另外时序定时。另外时序定时。根据不同情况，同步控制方式可选取如下方案：根据不同情况，同步控制方式可选取如下方案：2. 异步控制方式：每条指令周期可由多少不等的机器周异步控
20、制方式：每条指令周期可由多少不等的机器周期数组成。指令周期数和时针周期数不固定。期数组成。指令周期数和时针周期数不固定。3. 结合控制方式：同步控制和异步控制相合控制方式：同步控制和异步控制相结合的方式。合的方式。方式方式1：大部分操作序列安排在固定的机器整：大部分操作序列安排在固定的机器整齐中，中，对某些某些时间难以确定的操作，以以确定的操作，以执行部件的行部件的“回答信号回答信号作作为操作的操作的终了。了。方式方式2：机器周期的：机器周期的节拍脉冲固定，但指令周期中的机拍脉冲固定，但指令周期中的机器周期数不固定。器周期数不固定。4. 人工控制方式：为了调试机器和软件开发的需求，人工控制方式
21、：为了调试机器和软件开发的需求，在计算机面板和内部设置一些开关或按键以进展人工在计算机面板和内部设置一些开关或按键以进展人工控制。如控制。如RESET键，延续执行或单条指令执行的转换键，延续执行或单条指令执行的转换开关，符合停机开关等。开关，符合停机开关等。5.4 微程序控制器微程序控制器微程序控制器同组合逻辑控制器相比较：微程序控制器同组合逻辑控制器相比较：特点：具有规整性、灵敏性、可维护性。特点：具有规整性、灵敏性、可维护性。 在计算机系统中，微程序设计是利用软件方法来设在计算机系统中，微程序设计是利用软件方法来设计硬件的一门技术。计硬件的一门技术。微程序控制器的微程序控制器的根本思想：根
22、本思想：操作控制信号操作控制信号编成所成所谓的的“微指令微指令，存放在，存放在ROM中。中。运运转时，一条条地，一条条地读出出这些微指些微指令。令。产生全机所需求的各种操作控制生全机所需求的各种操作控制信号。信号。5.4.1 微命令和微操作微命令和微操作一台数字计算机根本上可以划分为两大部分：一台数字计算机根本上可以划分为两大部分：控制部件控制部件执行部件执行部件控制命令控制命令反响反响 测试测试微指令：控制部件经过控制线向执行部件发出的各种微指令：控制部件经过控制线向执行部件发出的各种 控制命令。控制命令。微操作：执行部件接受微命令后所进展的操作。微操作：执行部件接受微命令后所进展的操作。微
23、操作微操作相斥性：同一个相斥性：同一个CPU周期不能并行周期不能并行执行行 的微操作。的微操作。相容性：同一个相容性：同一个CPU周期可并行周期可并行执行的行的 微操作。微操作。CY+MR1R2R3X468579123Y简单运算器数据通路图简单运算器数据通路图 上上图所示，是一个所示，是一个简单运算器模型，其中运算器模型，其中ALU为算算术逻辑单元，元，R1、R2、R3为三个存放器。三个存放器。 CY为最高最高位触位触发器，有器，有进位位时该触触发器形状器形状为“1。 ALU的操作加、减、的操作加、减、传送在同一个送在同一个CPU周期周期中只能中只能选择一种，不能并行，所以以一种，不能并行，所以以+、M传送送三个微操作是互斥性的微操作。三个微操作是互斥性的微操作。类似地，似地，4、6、8三个三个微操作是互斥性的，微操作是互斥性的，5、7、9三个微操作也是互斥性的。三个微操作也是互斥性的。 微操作微操作1、2、3是可以同是可以同时进展的，所以是相容性展的，所以是相容性的微操作。另外，的微操作。另外，ALU的的X输入微操作入微操作4、6、8分分别与与Y输入的入的5、7、9恣意两个微操作，也都是相容性的。恣意两个微操作，也都是相容性的。
