第五章 中央处理器,计算机组成原理,第5章 中央处理器,5.1 CPU的组成和功能 5.7 流水CPU 5.2 指令周期 5.8 RISC CPU 5.3 时序产生器和控制方式 5.9 多媒体CPU 5.4 微程序控制器 5.5 硬连线线控制器 5.6 传统CPU,5.1 CPU的功能和组成,5.1.1 CPU的功能 5.1.2 CPU的基本组成 5.1.3 CPU中的主要寄存器 5.1.4 操作控制器与时序产生器,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产生每条指令对应的操作信号，并把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,控制器,运算器,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) 取出一条指令，并指出下一条指令的地址； (2) 指令译码，产生操作控制信号送往相应的部件； (3) 指挥并控制CPU、内存与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由运算器、cache和控制器三大部分组成。,暂时存放由内存读出或写入的指令或数据字,保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码,确定下一条指令的地址,保存当前正在执行的一条指令,对IR中的指令操作码进行译码分析,控制数据通路、启停部件操作,保存当前CPU所访问的内存单元的地址,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 通用寄存器（R0R3） 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,play,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。 数据通路：寄存器之间传送信息的通路。 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，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。 根据设计方法不同，操作控制器可分为： 硬布线控制器 微程序控制器 时序产生器：产生计算机所需要的时序控制信号,采用时序逻辑技术来实现,采用存储逻辑来实现,5.2 指令周期,5.2.1 指令周期的基本概念 5.2.2 MOV指令的指令周期 5.2.3 LAD指令的指令周期 5.2.4 ADD指令的指令周期 5.2.5 STO指令的指令周期 5.2.6 JMP指令的指令周期 5.2.7 用方框图语言表示指令周期,5.2 指令周期,指令的执行过程,5.2.1 指令周期的基本概念, 指令周期 : CPU取出并执行一条指令的时间。,取指时间执行指令时间, CPU周期 : CPU从内存读取一条指令字所需的最短时间，又称机器周期（总线周期） 。, 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T周期。（节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的时间 ）,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,101 MOV R0, R1 ；（R1）R0 102 LAD R1, 6 ；（6） R1 103 ADD R1, R2 ；（R1）+（R2）R2 104 STO R2, (R3) ；（R2）( R3 ) 105 JMP 101 ； 101 PC 106 AND R1, R3 6 100,5条典型指令构成的简单程序,5.2.2 MOV指令的指令周期,MOV R0, R1,MOV指令的指令周期取指,MOV指令的指令周期执行,play,5.2.3 LAD指令的指令周期,LAD R1, 6,LAD指令的指令周期执行,play,5.2.4 ADD指令的指令周期,ADD R1, R2,ADD指令的指令周期执行,play,5.2.5 STO指令的指令周期,STO R2, (R3),play,5.2.6 JMP指令的指令周期,JMP 101,play,5.2.7 用方框图语言表示指令周期,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。时间上依附于紧接的前面一个CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。,play,1个CPU周期,1个CPU周期,1个CPU周期,公操作符号。表示一条指令已执行完毕，CPU取下一条指令或处理外设请求。,ABUS：地址总线 DBUS：数据总线 IBUS：指令总线,【例1】下图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，画出其指令周期流程图（设指令地址已放入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。,PCo，G，ARi,R/W=R,DRo，G，IRi,R2o，G，Yi,R0o，G，Xi,+，G，R0i,取指,（1）加法 “ADD R2，R0”,PCo，G，ARi,R/W=R,DRo，G，IRi,R3o，G，Yi,R1o，G，Xi,，G，R3i,（2）减法 “SUB R1，R3”,5.3 时序产生器和控制方式,5.3.1 时序信号的作用和体制 5.3.2 时序信号产生器 5.3.3 控制方式,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: 取指发生在指令周期的第一个CPU周期; 取数发生在后面几个CPU周期，即 “执行指令”阶段。,从空间上来说: 送指令寄存器IR 指令 送运算器 数据。,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，而时间标志则用时序信号来体现。 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。 硬布线控制器 时序信号采用主状态周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制。 微程序控制器 时序信号一般采用节拍电位-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,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,微程序控制器的时序信号产生器 (节拍电位-节拍脉冲),译码产生原始的节拍脉冲和读写时序信号,控制节拍脉冲和读写时序信号的发送。启动状态，输出CPU真正需要的节拍脉冲和读写时序信号,节拍脉冲信号,环形脉冲发生器,节拍脉冲译码逻辑,启停控制逻辑,启停控制逻辑,功能表,边沿触发的D触发器,功能表,RS 触发器,S 置位端,R 复位端,S=1 Q=1,R=1 Q=0,启停控制逻辑,运行标志触发器Cr, 当计算机启动时，一定要从第1个节拍脉冲前沿开始工作。 停机时一定要在第4个节拍脉冲结束后关闭时序产生器。,play,5.3.3 控制方式,控制器的控制方式：控制不同操作序列时序信号的方法。,1. 同步控制方式 已定的指令在执行时所需的CPU周期（机器周期）数和时钟周期数都固定不变。 2. 异步控制方式 控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发“回答”信号，再开始新的操作。 3. 联合控制方式 同步控制和异步控制相结合的方式。,(1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。 (2)采用不定长机器周期。 (3)中央控制与局部控制结合。,情况（1）：大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些时间难以确定的操作则以执行 “回答”信号作为本次操作的结束； 情况（2）：机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器周期数不固定。,5.4 微程序控制器,利用软件方法（微程序设计技术）来设计硬件 微程序控制的基本思想： 把操作控制信号编成 “微指令”，存放到控制存储器CM中。 当机器运行时，逐条读出微指令，产生全机所需要的各种操作控制信号，启停相应部件。,5.4 微程序控制器,5.4.1 微程序控制原理 5.4.2 微程序设计技术,控制器 运算器、存储器、外围设备(IO设备),1 微命令和微操作,数字计算机可以分为：控制部件和执行部件,控制线,状态线,控制部件与执行部件通过控制线和反馈信息进行联系。,微命令,微操作,微操作,微操作,5.4.1 微命令和微操作, 微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。 微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。 微操作可分为相容性和相斥性两种。,在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作,不能在同时或同一个CPU周期内并行执行的微操作, ALU的“+”、“”、“M”（传送）为互斥微操作。 通常，只有不同部件上的微操作，才可能相容！,5.4.1 微命令和微操作,相斥性,进位触发器,多路开关的控制信号,相斥性,时钟输入,相容性,play,2 微指令和微程序,微指令：在一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合。 微程序：实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。,指令系统所有指令； 指令微程序； 微程序若干微指令； 微指令一组微命令； 微命令微操作,微指令的格式,发出控制全机工作的控制信号。 每一位表示一个微命令。 “1” 发出微命令； “0” 不发出微命令。,用来决定产生下一条微指令的地址。,判别测试标志,微命令信号都是节拍电位信号,微程序举例十进制加法,在十进制运算时,当相加二数之和大于9时,便产生进位。而采用BCD码后，当相加的和数大于9时，结果不正确，必须加6修正后才能得出正确的结果。,算法：先将和数加6，然后判别结果有无进位： 当Cy1，结果不变；当Cy0，结果减6。,取指,判别测试，修改微地址寄存器内容,ab,ab6,测试进位标志Cy,ab66,第一条微指令的二进制编码：,第二条微指令的二进制编码：,第三条微指令的二进制编码：,微程序控制器原理框图,微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。, 只读存储器 存放实现全部指令系统的微程序。 控存的字长=微指令字的长度 。,决定将要访问的下一条微指令