计算机组成原理五章精选文档.ppt

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1、计算机组成原理五章本讲稿第一页，共一百零四页本讲稿第二页，共一百零四页100 loop:load r3,0(r4);从存储器取数据放到r3中 存储器地址为r4中的内容加0,104 addi r4,r4,4;存储器地址加4,指向下一个存储器字108 add r1,r1,r3;累加,累加和放在r1中112 subi r2,r2,1;计数器减1116 bne r2,loop;若计数器不为0,则转移到loop处继续执行120 store r1,0(r4);否则,把累加和送到存储器中,存储器地址为r4中的内容加0.基本指令构成的程序基本指令构成的程序本讲稿第三页，共一百零四页A+100032bit567

2、registerr1r3ALUR23R41000A=0opcoder1r1r35位5位5位5位Add r1,r2,r3;r1=r2+r3本讲稿第四页，共一百零四页5.1 处理机的基本构成处理机的基本构成本讲稿第五页，共一百零四页5.2 ALU的设计的设计算术运算逻辑运算加法运算减法运算逻辑与运算逻辑或运算本讲稿第六页，共一百零四页本讲稿第七页，共一百零四页5.3 寄存器堆的设计寄存器堆的设计opcoderdrs1rs25位5位5位5位Add r1,r2,r3;r1=r2+r3本讲稿第八页，共一百零四页本讲稿第九页，共一百零四页Rs1=00111Rs2=11110Rd=00001本讲稿第十页，共

3、一百零四页本讲稿第十一页，共一百零四页000.1110001000111111105位5位5位5位Add r1,r2,r3;r1=r2+r3本讲稿第十二页，共一百零四页5.4 处理机的数据路径处理机的数据路径取指令电路算术逻辑操作电路存储器访问电路转移控制电路本讲稿第十三页，共一百零四页5.4.1 取指令电路取指令电路本讲稿第十四页，共一百零四页5.4.2 算术逻辑操作电路算术逻辑操作电路opcoderdrs1rs232位5位5位5位5位Add r1,r2,r3;r1=r2+r3Rs=register sourceRd=register destination本讲稿第十五页，共一百零四页寄存器

4、寻址寄存器寻址本讲稿第十六页，共一百零四页opcoderdrs1立即数寄存器寄存器立即数寻址立即数寻址本讲稿第十七页，共一百零四页图图5.9和图和图5.8的结合的结合本讲稿第十八页，共一百零四页5.4.3 存储器访问电路存储器访问电路opcoderdrs1load:opcoders1store:rs2本讲稿第十九页，共一百零四页寄存器寻址寄存器寻址opcoderdrs1load:opcoders1store:rs2本讲稿第二十页，共一百零四页opcoderdrs1load:opcoders1store:ImmediaterdImmediate本讲稿第二十一页，共一百零四页opcoderdrs1

5、load:opcoders1store:rs2rs2rd本讲稿第二十二页，共一百零四页opcoders1store:rs2rd本讲稿第二十三页，共一百零四页opcoders1store:rs2rd本讲稿第二十四页，共一百零四页5.4.4 转移控制电路转移控制电路opcodecondDisplacementbranch:opcoders1jump:rs2rdopcoders1jump:rdImmediate本讲稿第二十五页，共一百零四页opcodecondDisplacementbranch:cond?pc=pc+1pc=pc+Disp.YN本讲稿第二十六页，共一百零四页opcoders1jum

6、p:rs2rd1.pcrd2.rs1+rs2pc本讲稿第二十七页，共一百零四页opcoders1jump:rs2rdopcoders1jump:rdImmediate本讲稿第二十八页，共一百零四页opcodecondDisplacementbranch:本讲稿第二十九页，共一百零四页Add rd,rs1,rs2;addi rd,rs1,immediate本讲稿第三十页，共一百零四页5.4.5 总体数据路径见图5.18可执行的指令见表5.3本讲稿第三十一页，共一百零四页5.5单周期处理机的控制部件设计处理机的指令系统和指令格式本讲稿第三十二页，共一百零四页本讲稿第三十三页，共一百零四页5.5.1

7、 控制信号定义ALUOP:SELSTSELIMME:SELBRANCHSELLOAD:WRITEPC:WRITEZEROWRITEREGWRITEMEM本讲稿第三十四页，共一百零四页5.5.2 处理机执行指令的步骤ALU指令load/store指令转移指令取指令、译码、执行。本讲稿第三十五页，共一百零四页ALU指令Opcode rd,rs1,rs2Opcode rd,rs1,immeIF-IDEXEWBAddi rd,rs1,imme本讲稿第三十六页，共一百零四页load/store指令Load rd,rs1,imme;store rd,rs1,imme;IF,ID,EXE,READ,WBIF

8、,ID,EXE,WRITE本讲稿第三十七页，共一百零四页转移指令bne dispbeq dispbranch disp本讲稿第三十八页，共一百零四页5.5.3 控制信号的产生ALUOP0=or+ori+sub+subiALUOP1=add+addi+sub+subi+load+store本讲稿第三十九页，共一百零四页ALUOP0=O5O4O3O1ALUOP1=O5O4O3O2+O5O4O3O2O1本讲稿第四十页，共一百零四页其它控制信号本讲稿第四十一页，共一百零四页SELST=storeSELIMME=andi+ori+addi+subi+load+storeSELBRANCH=bneZERO

9、+beqZERO+branchSELLOAD=loadWRITEZERO=and+andi+or+ori+addaddi+sub+subiWRITEREG=and+andi+or+ori+add+addi+sub+subi+loadWRITEMEM=storeWRITEPC=1本讲稿第四十二页，共一百零四页Store rd,rs1,imme本讲稿第四十三页，共一百零四页5.5.4 单周期处理机的缺点T=ICPITPCI:是程序执行时的动态指令条数。CPI:是每条指令执行所需周期的平均值。TPC:每个周期的时间长度。本讲稿第四十四页，共一百零四页5.6 多周期处理机的控制部件设计本讲稿第四十五页

10、，共一百零四页多周期处理机的控制部件设计本讲稿第四十六页，共一百零四页本讲稿第四十七页，共一百零四页1 cycle IF本讲稿第四十八页，共一百零四页2 cycle ID本讲稿第四十九页，共一百零四页3 cycle EXE本讲稿第五十页，共一百零四页4 cycle R/W memory本讲稿第五十一页，共一百零四页本讲稿第五十二页，共一百零四页5 cycle WBOperations Signals本讲稿第五十三页，共一百零四页本讲稿第五十四页，共一百零四页本讲稿第五十五页，共一百零四页Op rd,rs1,rs2op rd,rs1,immediateLoad rd,rs1,immestore

11、rd,rs1,immeclk本讲稿第五十六页，共一百零四页Op rd,rs1,rs2op rd,rs1,immediateLoad rd,rs1,immestore rd,rs1,imme本讲稿第五十七页，共一百零四页本讲稿第五十八页，共一百零四页本讲稿第五十九页，共一百零四页本讲稿第六十页，共一百零四页本讲稿第六十一页，共一百零四页本讲稿第六十二页，共一百零四页本讲稿第六十三页，共一百零四页5.7 微程序控制5.7.0 微程序控制概念5.7.1 微程序控制电路结构5.7.2 微指令字段定义5.7.3 微程序设计本讲稿第六十四页，共一百零四页5.7.0 微程序控制概念微程序控制概念pcpc本讲

12、稿第六十五页，共一百零四页本讲稿第六十六页，共一百零四页WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 1 0 0 1 1/0 1/0 0 1 10 10 0IF(S0)本讲稿第六十七页，共一百零四页5.7.1 微程序控制电路结构WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 1 0 0 1 1/0 1/0 0 1 10 10 0IF(S0)

13、本讲稿第六十八页，共一百零四页本讲稿第六十九页，共一百零四页WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 1 0 0 1 1/0 1/0 0 1 10 10 0IF(S0)ID(S1)WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO BT 1/0 0 0 1/0 0 0 1 11 10 0ALU EXE(S2)WRITEPC SELLDST

14、WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 0 1/0 0 0 1/0 0 0 0 00 OP1OP0 0BT=branch+bneZERO+beqZEROALU WB(S6)WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 0 1/0 0 0 0 0 1 0 00 OP1OP0 1ALU EXE(S3)WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR S

15、ELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 0 1/0 0 0 1/0 0 0 0 01 OP1OP0 0ALU WB(S7)WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 0 1/0 0 0 0 1/0 1 0 01 OP1OP0 1本讲稿第七十页，共一百零四页 LOAD EXE(S4)WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SEL

16、ALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 0 1 0 0 1 1/0 0 0 01 10 0 LOAD MEM(S8)WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 0 1 0 0 1 1/0 0 0 01 10 0 LOAD WB(S10)WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 0 1 0 0 1 1/0 1 0 0

17、1 10 0 STORE EXE(S5)WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 0 1 0 0 1/0 1 0 0 01 10 0 STORE MEM(S9)WRITEPC SELLDST WRITEMEM WRITEIR SELLOAD SELST WRETEREG SELALUA SELALUB ALUOP WRITEZERO 0 1 1 0 1/0 1 0 0 01 10 0本讲稿第七十一页，共一百零四页加1无条件转移散转条件转移微程序计数器值的改变本讲

18、稿第七十二页，共一百零四页本讲稿第七十三页，共一百零四页5.7.2 微指令字段定义 Q2 ALUOP S1 S2 ALUDest MemAdr MemDest Dispatch JAddr 微操作信号微操作信号微地址产生方式目标微地址（13位）（2位）（logMc位）本讲稿第七十四页，共一百零四页取指微指令取指微指令译码微指令译码微指令散转表散转表ALU EXE微指令微指令ALU WB微指令微指令LOAD EXE微指令微指令LOAD MEM微指令微指令LOAD WB微指令微指令STORE EXE微指令微指令STORE MEM微指令微指令转转移移微微指指令令Add r1,r2,r3;Addi r

19、1,r2,234;Load r1,r2,44;Store r1,r3,45;Branch 2222;本讲稿第七十五页，共一百零四页本讲稿第七十六页，共一百零四页本讲稿第七十七页，共一百零四页本讲稿第七十八页，共一百零四页本讲稿第七十九页，共一百零四页5.7.3 微程序设计Add Q2 ALUOP S1 S2 ALUDest MemAdr MemDest Dispatch JAddrFetch add pc 1 pc pc IR Next rs2 Table本讲稿第八十页，共一百零四页本讲稿第八十一页，共一百零四页本讲稿第八十二页，共一百零四页本讲稿第八十三页，共一百零四页本讲稿第八十四页，共一

20、百零四页本讲稿第八十五页，共一百零四页5.8 异常事件处理什么是异常?异常事件处理本讲稿第八十六页，共一百零四页5.8.1 什么是异常?异常:指令执行过程中,由于操作非法或指令非法引起的 事件.如:除数为零,结果上溢,指令码没有定义等.异常改变处理机正常指令的执行次序,但它与转移指令又有本质的区别.转移指令是计划好的转移事件,而异常是随机事件.本讲稿第八十七页，共一百零四页本讲稿第八十八页，共一百零四页5.8.2 异常事件处理异常事件的处理:1.异常事件的检测,即当异常事件发生时 应能让处理机知晓.2.处理机应有相应的硬件机制，实现 向异常事件处理程序的转移及处理完 毕后返回到用户程序。本讲稿

21、第八十九页，共一百零四页用户正常程序异常处理程序异常产生硬件自动检测到硬件实现转移到处理程序入口硬件返回到用户正常程序断点本讲稿第九十页，共一百零四页确定异常处理程序入口的方法查询法向量法本讲稿第九十一页，共一百零四页异常处理程序 仅一个入口读处理机状态处理类型1异常处理程序处理类型2异常处理程序处理类型3异常处理程序查询法本讲稿第九十二页，共一百零四页向量法：为了能尽快地处理异常事件，也可以用向量 转移的办法，直接转向相应的处理程序去执行。可以为不同类型的异常事件指定一个向量，向量的位数依异常事件的种类数而定。如：8种类型的异常事件，可以使用3位向量 来区别它们。异常类型 向量 0 000

22、1 001 2 010 3 011 4 100 5 101 6 110 7 111本讲稿第九十三页，共一百零四页基 址向 量0000固定或由指令设定由2nn的编码器确定处理程序入口的间隔本讲稿第九十四页，共一百零四页001100000011010000111000001111004个字节，一条转移指令本讲稿第九十五页，共一百零四页关键问题：PC值的保存与恢复1 PC 通用寄存器2 PC 专用EPC3 PC 内存堆栈本讲稿第九十六页，共一百零四页本讲稿第九十七页，共一百零四页本讲稿第九十八页，共一百零四页本讲稿第九十九页，共一百零四页本讲稿第一百页，共一百零四页异常事件出现：EXC=Overflow+InvaildV0=InvaildOverflow=P63本讲稿第一百零一页，共一百零四页判别溢出方法判别溢出方法AsBsSsAsBsSs溢出溢出AsBsSs本讲稿第一百零二页，共一百零四页关键问题关键问题1.异常是如何被硬件检测的？2.硬件是如何保存断点的？3.硬件是如何转移到相应异常处理程序入口的？4.硬件是如何恢复断点的？本讲稿第一百零三页，共一百零四页本讲稿第一百零四页，共一百零四页