《计算机组成原理》 第四版 科学出版社版 第5章 课件

第五章中央处理器2第五章中央处理器5.1中央处理器的功能和组成5.2指令周期5.3时序产生器和控制方式5.4微程序控制器5.5硬连线控制器第五章中央处理器35.6传统CPU5.7流水CPU5.8RISCCPU5.9多媒体CPU第五章中央处理器45.1中央处理器的功能和组成5.1.1CPU的功能5.1.2CPU的基本组成5.1.3CPU中的主要寄存器5.1.4操作控制器与时序产生器第五章中央处理器55.1.1CPU的功能指令控制操作控制时间控制数据加工程序的顺序控制一条指令有若干操作信号实现指令各个操作实施时间的定时算术运算和逻辑运算第五章中央处理器65.1.2CPU的基本组成CPU的基本三大部分:Cache控制器运算器第五章中央处理器7第五章中央处理器81、控制器组成：程序计数器PC(ProgrammingCounter)指令寄存器IR(InstructionRegister)指令译码器ID(InstructionDecoder)操作控制器OC(OperatingController)第五章中央处理器9第五章中央处理器10控制器组成（续1）指令译码器ID(InstructionDecoder)暂存在指令寄存器中的指令只有在其操作码部分经译码后才能识别出是一条什么样的指令。译码器经过对指令进行分析和解释，产生相应的控制信号提供给时序控制信号形成部件第五章中央处理器11控制器组成（续2）工作节拍、脉冲及启停控制线路脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲第五章中央处理器12控制器组成（续3）时序控制信号形成部件脉序控制信号形成部件又称微操作信号发生器，真正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的。第五章中央处理器132、运算器组成：算术逻辑单元ALU(ArithmaticandLogicUnit)通用寄存器GR(GeneralRegister)数据缓冲寄存器DR(DataRegister)程序状态字PSW(ProgrammStatusWord)第五章中央处理器14第五章中央处理器153、CACHE组成：指令CACHE（InstructionCache）数据CACHE（DataCache）数据缓冲寄存器DR(DataRegister)数据地址寄存器AR(AddressReg)第五章中央处理器165.1.3CPU中的主要寄存器各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但是在CPU中至少要有6类寄存器：①程序计数器（PC）②指令寄存器（IR）③数据地址寄存器（AR）④缓冲寄存器（DR）⑤通用寄存器（R0～R3）⑥状态字寄存器（PSW）第五章中央处理器17CPU中的主要寄存器（续1）顺序执行时，每执行一条指令，PC的值应加1要改变程序执行顺序的情况时一般由转移类指令将转移目标地址送往PC，可实现程序的转移。1、程序计数器PC(ProgrammingCounter)用来存放正在执行的指令的地址或接着将要执行的下一条指令的地址。第五章中央处理器18在执行该指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化，以保证实现指令的全部功能。2、指令寄存器IR(InstructionRegister)CPU中的主要寄存器（续2）用来保存当前正在执行的一条指令PC和IR构成一对第五章中央处理器19由于要地址译码，所以要锁存地址信息3、数据地址寄存器AR(AddressReg)CPU中的主要寄存器（续3）保存当前CPU所访问的数据CACHE单元的地址第五章中央处理器20以及ALU的运算结果4、数据缓冲寄存器DR(DataReg)CPU中的主要寄存器（续4）用来暂时存放D-Cache读出的数据。AR和DR构成一对第五章中央处理器21少访问内存，加快速度5、通用寄存器GR(R0—R3)CPU中的主要寄存器（续5）用来暂时ALU所需的原始数据以及中间结果第五章中央处理器22如：进位C、结果为零Z、溢出V等6、程序状态字PSW(ProgrammStatusWord)CPU中的主要寄存器（续6）保存由算术和逻辑运算或测试指令，建立的各种条件代码第五章中央处理器235.1.4操作控制器与时序产生器通常把许多寄存器之间传送信息的通路，称为数据通路。在各寄存器之间建立数据通路的任务，是由称为操作控制器的部件来完成的。第五章中央处理器245.1.4操作控制器与时序产生器以便正确地选择数据通路，把有关数据打入到一个寄存器，从而完成取指令和执行指令的控制。操作控制器的功能:根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号。第五章中央处理器25根据设计方法不同，操作控制器可分为两种:1.硬连线控制器:它是采用时序逻辑技术来实现的；2.微程序控制器:它是采用存储逻辑来实现的。第五章中央处理器26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。•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。第五章中央处理器275.2指令周期5.2.1指令周期的基本概念5.2.2MOV指令的指令周期5.2.3LAD指令的指令周期5.2.4ADD指令的指令周期第五章中央处理器285.2.5STO指令的指令周期5.2.6JMP指令的指令周期5.2.7用方框图语言表示指令周期第五章中央处理器295.2.1指令周期的基本概念计算机为什么能够自动化的工作呢？这是因为…CPU从内存里取出一条指令，并执行它；再取出一条指令，并执行它。周而复始第五章中央处理器30第五章中央处理器31指令周期的基本概念（续1）这牵涉到了计算机的三种时间单位指令周期机器周期时钟周期第五章中央处理器32指令周期的基本概念（续2）指令周期指取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间。即执行一条指令所需的全部时间第五章中央处理器33指令周期的基本概念（续3）机器周期用CPU读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。用主存的工作周期(存取周期)为基础来规定CPU周期。第五章中央处理器34不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。一个机器周期中，包含若干个机器周期（节拍脉冲或T脉冲）。CPU周期规定，不同的计算机中规定不同第五章中央处理器35时钟周期把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为一个节拍。又叫T周期时钟周期第五章中央处理器36三者关系：它们三者的关系是：第五章中央处理器37第五章中央处理器38提示时钟周期是处理操作的最基本单位第五章中央处理器395.2.2MOV指令的指令周期•下面我们用一个模型机来介绍指令周期概念–主要包括：取指周期执行周期第五章中央处理器40第五章中央处理器41第五章中央处理器421、取指周期①PCAbus②读命令，I-CACHEIBUSIR③PC+1PC④IR.OPID,被译码⑤IDOC,CPU识别出MOV指令第五章中央处理器43第五章中央处理器442、执行周期①选R1为源，选R0为目标。②ALU的控制信号为MOV操作。③ALUDBUS,输出三态门打开。④DBUSDR⑤DRR0第五章中央处理器455.2.3LAD指令的指令周期1、取指周期：同MOV指令的取指周期完全一样。第五章中央处理器462、执行周期：①IR.ADDRDBUS②DBUSAR③读命令，D-CACHEDBUS④DBUSDR⑤DRR1第五章中央处理器47第五章中央处理器485.2.4ADD指令的指令周期1、取指周期：同MOV指令的取指周期完全一样。第五章中央处理器492、执行周期：①选R1为源，选R2为目标。②使ALU（R1）+（R2）③ALUDBUS④DBUSDR⑤DRR2第五章中央处理器50第五章中央处理器515.2.5STO指令的指令周期1、取指周期：同MOV指令的取指周期完全一样。第五章中央处理器522、执行周期：①选（R3）=30作为地址②（R3）DBUS③DBUSAR④选（R2）=120作为数据⑤（R2）DBUSR2第五章中央处理器53第五章中央处理器545.2.6JMP指令的指令周期1、取指周期：同MOV指令的取指周期完全一样。第五章中央处理器552、执行周期：①IR.ADDRDBUS②DBUSPC第五章中央处理器56第五章中央处理器575.2.7用方框图语言表示指令周期•1、方框：•2、菱形：•3、方向线：•4、公操作：第五章中央处理器58第五章中央处理器59例子5.1如图所示，为一个双总线结构的数据通路。其中，六个主要寄存器，画出了五个。各个微操作全部标出。⑴ADDR2,R0画出其指令流程图。⑵SUBR1,R3画出其指令流程图。第五章中央处理器60第五章中央处理器611、ADDR2,R0的功能R0(R0)+(R2)第五章中央处理器622、取指周期：①PCB-BUSA-BUSAR②MDR③DRB-BUSA-BUSIRPCoGARiDRoGIRiARi第五章中央处理器633、执行周期：①R2B-BUSA-BUSY②R0B-BUSA-BUSXR2oGYiR0oGXi③Y+XB-BUSA-BUSR0ALUoGR0i第五章中央处理器64第五章中央处理器655.2.8小结•一条指令包括一个取指令周期和一个及一个以上的执行周期组成•在每个CPU周期中数据通路是明确的•数据通路的建立及操作受到操作控制器的控制，当然决定于是什么指令。第五章中央处理器665.3时序产生器和控制方式5.3.1时序信号的作用和机制5.3.2时序信号产生器5.3.3控制方式第五章中央处理器675.3.1时序信号的作用和机制•我们学习、工作和休息都有一个严格的作息时间。•比如早晨6∶00起床；8∶00～12∶00上课，12∶00～14∶00午休……每个教师和学生都必须严格遵守这一规定，否则就难以保证正常的教学秩序。CPU中也有一个类似“作息时间”的东西，它称为时序信号。第五章中央处理器68一、作用•计算机所以能够准确、迅速、有条不紊地工作，正是因为在CPU中有一个时序信号产生器•用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那么CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢？第五章中央处理器69•从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期中，即发生在“取指令”阶段，而取数据事件发生在“执行指令”阶段。在一个CPU周期中，又把时间为分若干个小段，以便规定在这一小段时间中CPU干什么，在那一小段时间中CPU又干什么，这种时间约束对CPU来说是非常必要的，否则就可能造成丢失信息或导致错误的结果。时间进度既不能来得太早，也不能来得太晚。时间控制对计算机来说是太重要了。第五章中央处理器70二、体制组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号的基本体制是电位—脉冲制（以触发器为例）D为电位输入端，CP（ClockPulse）为脉冲输入端第五章中央处理器71R,S为电位输入端特性方程如下D=0时，CP上升沿到来时，D触发器状态置0D=1时，CP上升沿到来时，D触发器状态置1硬布线控制器，采用主状态周期—节拍电位—节拍脉冲三级体制。第五章中央处理器72时序信号产生电路复杂微程序控制器，节拍电位—节拍脉冲二级体制利用微程序顺序执行来实现微操作时序信号产生电路简单第五章中央处理器735.3.2时序信号产生器一、功能产生时序信号•各型计算机产生时序电路不相同•大、中型计算机的时序电路复杂，微型计算机的时序电路简单第五章中央处理器74二、构成•时钟源•环形脉冲发生器•节拍脉冲和读写时序译码逻辑•启停控制逻辑第五章中央处理器75第五章中央处理器76三、时钟脉冲源时钟源时钟源用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。它通常由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成，其输出送至环形脉冲发生器。第五章中央处理器77四、环行脉冲发生器环形脉冲发生器：环形脉冲发生器的作用是产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生最后所需的节拍脉冲第五章中央处理器78五、节拍脉冲和读/写时序的编码