白中英计算机组成原理第5章-中央处理机幻灯片课件.ppt
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1、白中英计算机组成原理第5章-中央处理机考研大纲要求考研大纲要求(一)(一)CPU的功能和基本结构的功能和基本结构(二)指令执行过程(二)指令执行过程(三)数据通路的功能和基本结构(三)数据通路的功能和基本结构(四)控制器的功能和工作原理(四)控制器的功能和工作原理1.硬布线控制器硬布线控制器2.微程序控制器微程序控制器微程序、微指令和微命令微程序、微指令和微命令微指令的编码方式;微地址的形成方式微指令的编码方式;微地址的形成方式(五)(五)指令流水线指令流水线1.指令流水线的基本概念指令流水线的基本概念2.超标量和动态流水线的基本概念超标量和动态流水线的基本概念11/16/202225.1CP
2、U的组成和功能的组成和功能l5.1.1CPU的功能的功能l5.1.2CPU的基本组成的基本组成l5.1.3CPU中的主要寄存器中的主要寄存器l5.1.4操作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器11/16/202235.1.1CPU的功能的功能lCPU(中央处理器)(中央处理器)控制程序按设定方式执行;控制程序按设定方式执行;lCPU的主要功能:的主要功能:指令控制指令控制u控制程序的执行顺序;控制程序的执行顺序;操作控制操作控制u产生和发送各操作信号;产生和发送各操作信号;时间控制时间控制u控制指令、或操作的实施时间;控制指令、或操作的实施时间;数据加工数据加工u对数据进行算术逻辑运算;对
3、数据进行算术逻辑运算;顺序寻址、跳跃寻址顺序寻址、跳跃寻址对指令操作码译码后产生控制信号对指令操作码译码后产生控制信号维持各类操作的时序关系维持各类操作的时序关系由由ALU完成具体的运算完成具体的运算11/16/202245.1.2CPU的基本组成的基本组成l现代的现代的CPU的组成的组成运算器、控制器运算器、控制器l控制器的主要功能控制器的主要功能从内存中取出一条指令,并指出下条指令的存放位置;从内存中取出一条指令,并指出下条指令的存放位置;对指令进行译码,产生相应的操作控制信号;对指令进行译码,产生相应的操作控制信号;控制控制CPU、内存和输入、内存和输入/输出设备之间数据流动;输出设备之
4、间数据流动;l运算器的主要功能:运算器的主要功能:执行所有的算术运算;执行所有的算术运算;执行所有的逻辑运算,并进行逻辑测试。执行所有的逻辑运算,并进行逻辑测试。冯冯诺依曼诺依曼机的定义机的定义、片内、片内Cache;PC、IRALU、通用寄存器组、通用寄存器组、标志寄存器标志寄存器CU、时序电路、时序电路、操作控制器操作控制器11/16/20225CPU模型图模型图动画演示:动画演示:5-1.swf5-1.swf运算器运算器Cache控制器控制器11/16/202265.1.3CPU中的主要寄存器(中的主要寄存器(1/3)1.数据缓冲寄存器(数据缓冲寄存器(DR)暂时存放暂时存放CPU与外界
5、传送的数据,可以是指令字或数据字。与外界传送的数据,可以是指令字或数据字。作用作用:作为作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站;和内存、外部设备之间信息传送的中转站;补偿补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别;和内存、外围设备之间在操作速度上的差别;2.通用寄存器通用寄存器功能:暂时存放功能:暂时存放ALU运算的数据或结果。运算的数据或结果。CPU中的通用寄存器可多达中的通用寄存器可多达16个,个,32个,甚至更多。个,甚至更多。11/16/202275.1.3CPU中的主要寄存器(中的主要寄存器(2/3)3.状态条件寄存器(状态条件寄存器(PSW)保存各种状态和条件控制信号
6、;保存各种状态和条件控制信号;u进位标志进位标志(C),溢出标志,溢出标志(V),零标,零标志志(Z),符号标志,符号标志(N)每个信号由一个触发器保存,从而拼成一个寄存器。每个信号由一个触发器保存,从而拼成一个寄存器。4.地址寄存器(地址寄存器(AR)保存当前保存当前CPU所访问数据的内存单元地址;所访问数据的内存单元地址;主要用于解决主存主要用于解决主存/外设和外设和CPU之间的速度差异,使地址信之间的速度差异,使地址信息可以保持到主存息可以保持到主存/外设的读写操作完成为止外设的读写操作完成为止。11/16/202285.1.3CPU中的主要寄存器(中的主要寄存器(3/3)5.程序计数器
7、(程序计数器(PC)始终存放下一条指令的地址,对应于指令始终存放下一条指令的地址,对应于指令Cache的访问;的访问;其内容变化分两种情况其内容变化分两种情况u顺序执行:顺序执行:PC+1PCu转移执行转移执行:(指令指令OPR)PC6.指令寄存器(指令寄存器(IR)保存当前正在执行的一条指令。保存当前正在执行的一条指令。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。寄存功能寄存功能计数功能计数功能11/16/202295.1.4操作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器l数据通路数据通路寄存器之间传送信息的通路。寄存器之间传送信息的通路
8、。l操作控制器操作控制器根据指令操作码和时序信号,产生各种操作控制信号;根据指令操作码和时序信号,产生各种操作控制信号;建立正确地数据通路,从而完成指令的执行。建立正确地数据通路,从而完成指令的执行。l根据设计方法不同,操作控制器可分为根据设计方法不同,操作控制器可分为硬布线控制器硬布线控制器:采用时序逻辑技术实现;:采用时序逻辑技术实现;微程序控制器微程序控制器:采用存储逻辑实现;:采用存储逻辑实现;前两种方式的结合前两种方式的结合;l时序产生器时序产生器对各种操作实施时间的控制。对各种操作实施时间的控制。11/16/202210数据通路的建立数据通路的建立增量增量写入写入读出读出写入写入读
9、出读出写入写入读出读出锁存锁存锁存锁存写入写入读出读出写入写入读出读出运算运算类型类型读出读出写入写入11/16/2022115.2指令周期指令周期l5.2.1指令周期的基本概念指令周期的基本概念l5.2.2MOVR0,R1指令的指令周期指令的指令周期l5.2.3LADR1,6指令的指令周期指令的指令周期l5.2.4ADDR1,R2指令的指令周期指令的指令周期l5.2.5STOR2,(R3)指令的指令周期指令的指令周期l5.2.6JMP101指令的指令周期指令的指令周期l5.2.7用方框图语言表示指令周期用方框图语言表示指令周期11/16/2022125.2.1指令周期的基本概念指令周期的基本
10、概念lCPU执行程序是一个执行程序是一个“取指令取指令执行指令执行指令”的循环过程。的循环过程。l指令周期指令周期CPU从内存中从内存中取出取出一条指令,并一条指令,并执行执行的时间总和;的时间总和;lCPU周期周期又称机器周期,一般为从内存读取一条指令字的最短时间;又称机器周期,一般为从内存读取一条指令字的最短时间;一个一个CPU周期可以完成周期可以完成CPU的一个基本操作。的一个基本操作。l时钟周期时钟周期也叫节拍脉冲或也叫节拍脉冲或T周期,是计算机处理操作的基本时间单位。周期,是计算机处理操作的基本时间单位。动画演示:动画演示:5-2.swf5-2.swf11/16/202213关于指令
11、周期关于指令周期l一个完整的指令周期由一个完整的指令周期由若干机若干机器周期器周期:取指周期取指周期间址周期间址周期执行周期执行周期中断周期中断周期l所有指令的所有指令的第一个机器周期必第一个机器周期必为取指周期为取指周期;l一个基本的一个基本的CPU周期包含周期包含4个时个时钟周期钟周期,对于某些,对于某些CPU周期可周期可以包含更多的时钟周期。以包含更多的时钟周期。l不同指令的指令周期所包含的不同指令的指令周期所包含的时钟周期个数时钟周期个数不一定相同不一定相同。求操作数求操作数有效地址有效地址本教材上,间址周本教材上,间址周期和执行周期统称期和执行周期统称为执行周期!为执行周期!11/1
12、6/202214一个简单的程序一个简单的程序地址地址 指令指令说明说明100程序执行前设置程序执行前设置(R0)=00,(R1)=10;(R2)=20,(R3)=30101MOVR0,R1传送指令传送指令MOV执行执行(R1)R0102LADR1,6取数指令取数指令LAD从从6号单元中取数号单元中取数100R1103ADDR1,R2加法指令加法指令ADD执行执行(R1)+(R2)R2,结果为结果为(R2)=120104STOR2,(R3)存数指令存数指令STO用用(R3)间接寻址间接寻址,(R2)=120写入写入30号单号单元元105JMP101转移指令转移指令JMP改变程序执行顺序改变程序执
13、行顺序,转到转到101号单元号单元106ANDR1,R3逻辑与指令逻辑与指令AND执行执行(R1)(R2)R3地址地址数据数据570610076610773040(120)11/16/2022155.2.2MOVR0,R1指令的指令周期指令的指令周期lMOV是一条是一条RR型指令,它需型指令,它需要两个要两个CPU周期:周期:取指周期取指周期从存储器中取出指令;从存储器中取出指令;程序计数器程序计数器PC加加1;译码或测试指令操作码,译码或测试指令操作码,发出控制信号;发出控制信号;执行周期执行周期u在控制信号的作用下,在控制信号的作用下,将将R1中的数据经过中的数据经过ALU送入送入R0;1
14、1/16/202216MOVR0,R1指令的执行过程演示指令的执行过程演示101101MOV R0,R1MOV R0,R1102102MOVMOV1010动画动画演演示示11/16/202217MOVR0,R1指令周期中的控制信号指令周期中的控制信号1.取指周期取指周期PCABUS指令指令Cache,译码并启动;,译码并启动;指令指令CacheIR;PCPC+1,为取下条指令做好准备;,为取下条指令做好准备;IR中的操作码被译码或测试,中的操作码被译码或测试,CPU识别出是指令识别出是指令MOV。2.执行指令阶段执行指令阶段R1ALU,R1中数据通过中数据通过ALU传送;传送;ALUDBUSD
15、RR0;PCPC读读指令指令CacheCache启动启动指令指令CacheCache读读IRIR写写PCPC增量增量R1R1读读ALUALU传送控制传送控制ALUALU输出输出DRDR锁存锁存R0R0写写11/16/2022185.2.3LADR1,6指令的指令周期指令的指令周期lLAD指令是指令是RS型指令,型指令,需要访存获取操作数,共需要访存获取操作数,共包含三个包含三个CPU周期:周期:取值周期取值周期间址周期间址周期u从从IR的地址码字段获取的地址码字段获取操作数地址;(或者通操作数地址;(或者通过计算获得过计算获得EA)执行周期执行周期u访存获取操作数送入通访存获取操作数送入通用寄
16、存器用寄存器R1;11/16/202219LADR1,6指令的执行过程演示指令的执行过程演示102102LAD R1,6LAD R1,6103103LADLAD6 6100100动画动画演演示示11/16/202220LADR1,6指令周期中的控制信号指令周期中的控制信号1.LAD取指周期取指周期CPU动作与取动作与取MOV指令的取值周期中一样。指令的取值周期中一样。2.LAD指令的执行周期指令的执行周期IRDBUSAR;u该过程为寻址周期;该过程为寻址周期;ARABUS数据数据Cache,译码并启动;,译码并启动;数据数据CacheDBUSDRR1;IRIR读读ARAR锁存锁存数据数据Cac
17、heCache启动启动数据数据CacheCache读读DRDR锁存锁存R1R1写写11/16/2022215.2.4ADDR1,R2指令的指令周期指令的指令周期lADD指令的指令周期由两个指令的指令周期由两个CPU周期组成周期组成。取指周期(略)取指周期(略)执行周期执行周期u从寄存器从寄存器R1、R2中取出数据,作为源操作数;中取出数据,作为源操作数;u将两数据送往将两数据送往ALU,并使,并使ALU进行加运算;进行加运算;u结果保存到结果保存到R1中。中。11/16/202222ADDR1,R2指令的执行过程演示指令的执行过程演示103103ADD R1,R2ADD R1,R2104104
18、ADDADD1001002020120120动画动画演演示示11/16/202223ADDR1,R2指令周期中的控制信号指令周期中的控制信号取指周期(略)取指周期(略)CPU动作与取动作与取MOV指令的取值周期中一样。指令的取值周期中一样。执行周期执行周期R1、R2ALU;ALU做加运算,将两数相加;做加运算,将两数相加;ALUDBUSDRR1,保存结果;,保存结果;R1R1读读R2R2读读ALUALU加加ALUALU输出输出DRDR锁存锁存R1R1写写11/16/2022245.2.5STOR2,(R3)指令的指令周期指令的指令周期lSTO指令是指令是RS型指令,需要型指令,需要3个个CPU
19、周期。周期。取指周期(略)取指周期(略)间址周期间址周期u根据根据R3中的地址寻址所要访问的存储单元;中的地址寻址所要访问的存储单元;执行周期执行周期u将寄存器将寄存器R2中的数据送入指定的存储单元;中的数据送入指定的存储单元;11/16/202225STOR2,(R3)指令的执行过程演示指令的执行过程演示104104STO STO R2,(R2,(R3)105105STOSTO动画动画演演示示3012011/16/202226STOR2,(R3)指令周期中的控制信号指令周期中的控制信号1.取指周期(略)取指周期(略)2.执行周期执行周期R3DBUSAR,发出地址启动数据,发出地址启动数据Ca
20、che;u该过程为间址周期;该过程为间址周期;R2DBUS数据数据Cache;R3R3读读ARAR锁存锁存R2R2读读数据数据CacheCache写写11/16/2022275.2.6JMP101指令的指令周期指令的指令周期lJMP指令是一条无条件转移指令,用来改变程序的指令是一条无条件转移指令,用来改变程序的执行顺序;执行顺序;lJMP指令的执行需要两个指令的执行需要两个CPU周期:周期:取指周期(略)取指周期(略)执行周期执行周期u使用使用JMP指令中的直接地址为指令中的直接地址为PC赋值;赋值;11/16/202228JMP101指令的执行过程演示指令的执行过程演示105105JMP 1
21、01JMP 101106106JMPJMP动画动画演演示示10110111/16/202229JMP101指令指令周期中的控制信号周期中的控制信号1.取指周期(略)取指周期(略)2.执行周期执行周期IRDBUSPC;IRIR读读PCPC写写11/16/2022305.2.7用方框图语言表示指令周期用方框图语言表示指令周期l方框方框代表一个代表一个CPU周期;周期;方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。l菱形菱形通常用来表示某种判别或测试;通常用来表示某种判别或测试;时间上依附于之前一个方框的时间上依附于之前一个方框的CPU周期,而不单独占用
22、一周期,而不单独占用一个个CPU周期;周期;l(公操作符号)(公操作符号)表示一条指令已经执行完毕,转入公操作。表示一条指令已经执行完毕,转入公操作。所谓公操作所谓公操作就是一条指令执行完毕后,就是一条指令执行完毕后,CPU所开始的一些所开始的一些操作,比如对外围设备请求的处理等。操作,比如对外围设备请求的处理等。动画演示动画演示5.14.swf11/16/202231P139图图5.14方框图语言表示的指令周期方框图语言表示的指令周期MOVR0,R1 LADR1,6 ADDR1,R2 STOR2,(R3)JMP10111/16/202232课本课本P139【例【例1】l图图5.15所示为双总
23、线结构机器的数据通路,各构成部件如图,所示为双总线结构机器的数据通路,各构成部件如图,线上标注有小圈表示有控制信号,未标字符的线为直通线。线上标注有小圈表示有控制信号,未标字符的线为直通线。“ADDR2,R0”指令完成指令完成(R0)+(R2)R0的功能操作,画的功能操作,画出其指令周期流程图,并列出相应的微操作控制信号序列。出其指令周期流程图,并列出相应的微操作控制信号序列。“SUBR1,R3”指令完成指令完成(R3)-(R1)R3的操作,画出其的操作,画出其指令期流程图,并列出相应的微操作控制信号序列。指令期流程图,并列出相应的微操作控制信号序列。11/16/202233l指令周期应包括指
24、令周期应包括取指取指周期周期和和执行周期执行周期;l执行周期中应首先将执行周期中应首先将R0、R2两寄存器的两寄存器的内容送入内容送入ALU的操作的操作数缓冲器中,再执行数缓冲器中,再执行加法运算;加法运算;(1)“ADDR2,R0”(R0)+(R2)R0(PC)AR(M)DR(DR)IR译码译码(R2)Y(R0)X(R0)+(R2)R0取指周期取指周期执行周期执行周期PC0GARiR/W=1DR0GIRiR20GYiR00GXi+GR0i11/16/202234指令指令ADDR2,R0的执行过程的执行过程指令指令地址地址指令指令R2R0和和11/16/202235l指令周期应包括指令周期应包
25、括取指周取指周期期和和执行周期执行周期;l取指周期与取指周期与ADD指令指令完全相同;完全相同;l执行周期与执行周期与ADD指令指令不同之处在于不同之处在于ALU的控的控制信号为制信号为“”(2)“SUBR1,R3”(R3)(R1)R3(PC)AR(M)DR(DR)IR译码译码(R3)Y(R1)X(R3)-(R1)R3取指周期取指周期执行周期执行周期PC0GARiR/W=1DR0GIRiR30GYiR10GXiGR3i11/16/202236参考上例试写出下列指令的微操作序列参考上例试写出下列指令的微操作序列l指令指令STOR1,(R2)功能:功能:R1(R2),将,将R1的数据送入的数据送入
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