第一章 计算机系统概论 第二章 运算方法和运算器 第三章 存储系统 第四章 指令系统 第五章 中央处理器 第六章 总线系统 第七章 外围设备 第八章 输入输出系统 第九章 并行组织,目录,计算机组成原理,第5章 中央处理器,5.1 CPU的组成和功能 5.8 流水CPU 5.2 指令周期 5.9 RISC CPU 5.3 时序产生器和控制方式 5.10 多媒体CPU 5.4 微程序控制器 5.11 CPU性能评价 5.5 微程序设计技术 5.6 硬布线控制器 5.7 传统CPU,5.1 CPU的功能和组成,当代主流计算机所遵循的仍然是冯.诺依曼的“存储程序、程序控制”思想 程序告诉计算机：应该逐步执行什么操作；在什么地方找到用来操作的数据，结果存到何处等 中央处理器是控制计算机自动完成取出指令和执行指令任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为CPU（Central Processing Unit）,5.1.1 CPU的功能, 指令控制 保证机器按程序规定的顺序取出执行, 操作控制 CPU产生每条指令所对应的操作信号，并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动作, 时间控制 对各种操作的实施时间进行定时, 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理,5.1.2 CPU的基本组成,控制器完成对整个计算机系统操作的协调与指挥。 (1) 控制机器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； (2) 对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，送往相应的部件，启动规定的动作； (3) 指挥并控制CPU、内存与输入/输出（I/O）设备之间数据流动的方向 运算器是数据加工处理部件，所进行的全部操作由控制器发出的控制信号指挥 (1)执行所有的算术运算； (2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试,CPU的基本模型,5.1.3 CPU中的主要寄存器,数据缓冲寄存器（DR） 暂时存放由内存读出或写入的指令或数据字 指令寄存器（IR） 保存当前正在执行的一条指令 程序计数器（PC） 确定下一条指令的地址 地址寄存器（AR） 保存当前CPU所访问的内存单元的地址 累加寄存器（AC） 最常使用的一个通用寄存器 状态条件寄存器（PSW） 保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码,5.1.4 操作控制器与时序产生器,操作控制器在各寄存器之间建立数据通路（传送信息的通路） 操作控制器的功能: 就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制 硬布线控制器 微程序控制器 时序产生器产生并发出计算机所需要的时序控制信号,5.2 指令周期,读取指令 指令地址送入主存地址寄存器 读主存，读出内容送入指定的寄存器 分析指令 按指令规定内容执行指令 不同指令的操作步骤数 和具体操作内容差异很大 检查有无中断请求 若无，则转入下一条指令的执行过程,形成下一条指令地址,指令的执行过程,5.2.1 指令周期的基本概念,指令周期 : CPU从内存取出一条指令并执行完这条指令的时间总和,CPU周期 : 又称机器周期（总线周期），CPU访问内存所花的时间较长，因此用CPU从内存读取一条指令字的所需的最短时间来定义,时钟周期 : 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期T,相互关系： 1个指令周期 = 若干个CPU周期 1个CPU周期 = 若干T周期,取指时间执行指令时间,指令周期 CPU周期 时钟周期,020 CLA ；累加器清0 021 ADD 30 ；（AC）+（30）AC 022 STA 40 ；（AC）(40) 023 NOP ； 空操作 024 JMP 21 ； 21 PC 030 000 006 ; 数据 040 存和数 ; 数据,5条典型指令构成的简单程序,5.2.2 CLA指令的指令周期,取出CLA指令,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,000 020,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 020,CLA,CLA,000 021,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 020,CLA,CLA,000 021,000 000,执行CLA指令,5.2.3 ADD指令的指令周期,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 021,ADD,ADD 30,000 021,000 022,000 030,000 006,0+6=6,000 006,取出并执行ADD指令,5.2.4 STA指令的指令周期,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 022,STA,STA 40,000 022,000 023,000 040,000 006,000 006,000 006,取出并执行STA指令,5.2.5 NOP指令和JMP指令的指令周期,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 024,JMP 21,JMP 21,000 024,000 021,000 006,000 006,000 025,000 021,取出并执行JMP指令,5.2.7 用方框图语言表示指令周期,在进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示一条指令的指令周期。 方框 代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。 菱形 通常用来表示某种判别或测试，不过时间上它依附于紧接它的前面一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。,【例1】教材图5.15所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器(具有自增功能)，M为主存(受R/W信号控制)，AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器， ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例中yi表示y寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。 (1)“ADD R2，R0”指令完成(R0)+(R2)R0的功能操作，画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入PC中。并列出相应的微操作控制信号序列。 (2)“SUB R1，R3”指令完成(R3)-(R1)R3的操作，画出其指令期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。,5.3 时序产生器和控制方式,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?,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指令周期的后面几个CPU周期中，即发生在“执行指令”阶段。,从空间上来说: 如果取出的代码是指令，那么一定经DR送往指令寄存器IR，如果取出的代码是数据，那么一定送往运算器。,时间控制对计算机来说是非常重要的！,思考,5.3.1 时序信号的作用和体制,计算机的协调动作需要时间标志，而且需要采用多级时序体制。而时间标志则用时序信号来体现。 硬布线控制器中，时序信号往往采用主状态周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制。 主状态周期（指令周期）：包含若干个节拍周期，可以用一个触发器的状态持续时间来表示 节拍电位（机器周期）：表示一个CPU 周期的时间，包含若干个节拍脉冲 节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时间单位 微程序控制器中，时序信号则一般采用节拍电位-节拍脉冲二级体制。,节拍脉冲,节拍电位1,主状态周期,节拍电位2,主状态周期-节拍电位-节拍脉冲,数据准备好后，以电位的方式送触发器 控制信号来到后，用一个脉冲信号把数据装入触发器,数据：电位,控制信号：脉冲,节拍电位-节拍脉冲,IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4,IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4,MERQ,IORQ,RD,WR,提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号 由石英晶体振荡器组成,产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列,启动,停机,5.3.2 时序信号产生器,启停控制逻辑,节拍脉冲和读写时序译码逻辑,环形脉冲发生器,时钟脉冲源,时序产生器 (1/4),一、 概念 1、时序部件：计算机的机内时钟。它用其产生的周期状态，节拍电位及时标脉冲去对指令周期进行时间划分，刻度和标定。 2、指令周期：在计算机中从指令的读取到指令的执行完成，执行一条指令所需要的时间，称为指令周期。 指令周期通常由若干个CPU周期来表示，CPU周期也称为机器周期。由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存所花的时间较长，通常用存储周期为基础来规定CPU周期。,时序产生器 (2/4),二、3级时序信号 1、周期 （1）在一个控制阶段内均持续起作用的信号； （2）通常用周期状态寄存器来标志和指明某某周期控制； （3）指令周期可分为取指周期、分析周期、执行周期。 2、节拍 （1）把一个机器周期分成若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个