计算机组成原理第五讲

ComputerScience计算机组成原理第五讲：CPU基本组成第三章主要内容CPU逻辑组成与工作机制运算方法和运算器控制器（组合逻辑控制器和微程序控制器）数据通路主机与外部信息交换方式第三章重点运算方法和运算器控制器时序系统数据通路结构第三章难点进位链时序系统控制器本讲主要内容CPU基本组成运算部件寄存器组微命令产生部件时序系统CPU内部的数据通路结构时序控制方式控制器分类CPU的功能指令控制：控制指令执行顺序，逐条执行或跳转执行操作控制：解释并控制指令的运行时间控制：产生操作时序，按时间顺序启动各类操作数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理需要解决的问题CPU由哪些部件组成各部件之间如何交换信息CPU如何建立与外部的连接CPU如何形成控制命令序列，控制指令的执行CPU的基本组成运算部件输入逻辑算术、逻辑运算部件（ALU）输出逻辑输出逻辑输入逻辑输入逻辑操作数ALU操作数运算结果CPU的基本组成运算部件设置情况只设置一个ALU设置一个ALU，并且配合时序控制设置一个ALU，且将定点乘除部件和浮点部件作为基本配置设置多种运算部件CPU的基本组成寄存器组通用寄存器组暂存器指令寄存器程序计数器程序状态字寄存器地址寄存器数据缓冲寄存器CPU的基本组成微命令产生部件功能：是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，完成取指和执行指令的控制。即建立数据通路类型：分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型三种时序逻辑型（或组合逻辑）：硬布线控制器(或组合逻辑控制器)，采用时序逻辑技术实现CPU的基本组成微命令产生部件存储逻辑型—微程序控制器，采用存储逻辑实现时序逻辑与存储逻辑结合型—前两种方式的组合CPU的基本组成时序系统时序信号的作用：是按一定的时间序列产生一系列脉冲与电位信号，控制器根据电位和定时脉冲的顺序和间隔指挥机器运作。组成计算机硬件的器件决定了时序信号最基本的体制是电位——脉冲制。CPU的基本组成时序系统多级时序的概念指令周期机器周期时钟周期（节拍）时钟脉冲信号CPU的基本组成时序系统指令周期：取出并执行一条指令所需要的时间，通常包含3-4个机器周期。机器周期：对应指令执行的不同阶段，如取指令、取操作数、执行等阶段。各阶段长短不一，按最长的阶段来划分机器周期。通常一个机器周期包含4个时钟周期T1-T4。时钟周期：又称节拍或T周期对应基本定时信号，由它确定主时钟频率。●时序关系：晶振输出工作周期1工作周期2工作周期3时钟T1工作脉冲P时钟T2指令周期控制不同阶段操作时间控制分步操作时间对微操作定时取指执行取数取出指令修改PC打入IR打入PCCPU的基本组成CPU的基本组成时序系统组合逻辑控制器中，时序信号采用：周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制微程序控制器中，时序信号采用：节拍电位-节拍脉冲二级体制CPU的基本组成CPU内部数据通路结构独立结构R小型存储器结构单口RAM双口RAM寄存器组独立R、双口RAM用多路选择器作为ALU的输入逻辑单口RAM用锁存器作为ALU的输入逻辑。数据通路结构单组内总线结构多组内总线结构CPU的基本组成CPU内部数据通路结构单组内总线、分立寄存器结构移位器ALU多路选择器多路选择器R0RnR0...RnR0...Rn内部总线（单向）特点：R各自独立；可同时向ALU提供两个操作数；采用单向内总线。CPU的基本组成CPU内部数据通路结构单组内总线、集成寄存器结构移位器ALU暂存器D暂存器C内部总线（双向）R0Rn通用寄存器组（小型存储器）特点：单口RAM不能同时向ALU提供两个操作数；用锁存器暂存操作数；采用双向内总线。CPU的基本组成CPU内部数据通路结构多组内总线结构暂存器T1暂存器T2R1RnR0MDRMARPCIR…ALU多路开关多路开关输入数据总线ALU数据总线寄存器数据总线时序控制方式同步控制定义：各项操作受统一时序控制。特点：有明显时序时间划分，时钟周期时间固定，各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制。优点：时序关系简单，时序划分规整，控制简单；控制逻辑易于集中，便于管理。时序控制方式同步控制缺点：时间安排不合理应用场合：用于CPU内部、设备内部、系统总线操作（各挂接部件速度相近，传送时间确定，传送距离较近）。时序控制方式异步控制定义：各项操作按不同需要安排时间，不受统一时序控制。特点：无统一时钟周期划分，各操作间的衔接和各部件之间的信息交换采用异步应答方式。时序控制方式异步控制例：异步总线传送操作主设备：申请并掌握总线权的设备从设备：响应主设备请求的设备总线主从发/接接/发时序控制方式操作流程主设备获得总线控制权主设备询问从设备主设备发送/接收数据主设备释放总线控制权从设备准备好？YN主设备输出端与总线连接主设备输出端与总线断开时序控制方式异步控制优点：时间安排紧凑、合理。缺点：控制复杂。应用场合：用于异步总线操作(各挂接部件速度差异大，传送时间不确定，传送距离较远)。时序控制方式同步控制在实际应用中的变化不同指令安排不同的时钟周期数指令周期长度可变，时钟周期长度不变可用计数器指示时钟周期数的变化总线周期中允许插入延长周期总线周期：经总线传送一次数据所用的时间传送操作包括：传送地址、存储器读/写等时序控制方式例：一个总线周期包含四个时钟周期总线周期(4T)时钟T1T3T2T4送地址读/写数据结束同步方式时钟T1T3T2T4T4T4Tw送地址读/写数据结束总线周期(5T)扩展同步方式时序控制方式同步控制在实际应用中的变化同步方式引入异步应答以固定时钟周期作为时序基础，引入应答思想时序控制方式例：8088最大模式，用一根总线请求/应答线实现总线权的转移设备请求总线权RQ/GTCPU使用总线CPU使用总线CPU使用总线设备使用总线设备设备CPUCPU响应，总线权交设备CPU设备释放总线权CPU设备若干时钟若干时钟控制器分类组合逻辑控制器微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成PCOPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成PCOPD寻址来自M送M或ALU+1送M1.微命令发生器功能：产生全机所需的各种微命令控制最基本的操作(微操作)的命令电位型脉冲型构成微命令发生器：将产生微命令的条件综合化简，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现。微命令发生器微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成PCOPD寻址来自M送M或ALU+1送M2.指令计数器PC功能：指示指令在M中的位置。PC本身+1顺序执行PC先+1，再用转移地址修改PC微命令发生器PC转移执行:ALU+13.指令寄存器IR功能：存放现行指令。决定操作性质操作码字段操作数地址转移地址PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIR地址码字段译码器微命令发生器地址形成部件寻址D4.状态寄存器PSW功能：指示程序运行方式，反映程序运行结果。例.某机的PSWPC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW工作方式优先级TNZVC151211876543210C=1进位V=1溢出Z=1结果为0N=1结果为负T=1,执行跟踪程序（1）条件码反映程序运行结果工作方式优先级TNZVC151211876543210（2）跟踪标志为查错设置的断点标志T。程序初始化置T为1...测试T跟踪程序….....程序优先级高于外部优先级，不响应程序优先级低于外部优先级，可响应用户方式：禁止程序执行某些指令核心方式：允许程序执行所有指令（3）优先级为现行程序赋予优先级别，以决定是否响应外部中断请求。工作方式优先级TNZVC151211876543210（4）工作方式规定程序的特权级。PSW在CPU中，反映程序运行状态；控制/状态字在接口中,反映CPU命令、设备状态。5.时序线路功能：控制操作时间和操作时刻。PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序振荡器分频器时钟脉冲工作脉冲时钟周期(节拍)产生电位型微命令，控制操作时间段产生脉冲型微命令，控制定时操作1.取指令PCPC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成OPD寻来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序控制器工作过程地址M指令IR、译码(OP、寻址方式)PC+1PC2.取数(按寻址方式)立:PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序指令操作数有效地址M,取数R,取数直:寄存器号间:间接地址M,取有效地址寄存器号R,取有效地址变:形式地址变址量运算器计算有效地址3.执行(按操作码)PC微命令发生器微命令序列I/O状态控制台信息运行状态译码…...PSW时序IR地址形成OPD寻址来自M送M或ALU+1送M微命令发生器PCIRPSW时序结果存储器/寄存器操作数加法器操作数控制器分类组合逻辑控制器工作原理：综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现；执行指令时，由组合逻辑电路(微命令发生器）在相应时间发出所需微命令，控制有关操作。优点：产生微命令的速度快控制器分类组合逻辑控制器缺点：设计不规整，设计效率低控制器核心结构零乱，不便于检查和调试不易修改、扩展指令系统功能应用场合：用于高速计算机或小规模计算机控制器分类微程序控制器主要部件（1）控制存储器CM（2）微指令寄存器µIR微地址形成电路IRPSWPC微地址寄存器µAR控制存储器CM译码器微命令序列微命令字段微地址字段µIR（3）微地址寄存器µAR（4）微地址形成电路