CPU的結構和功能.ppt

CPU的功能和組成指令周期時序產(chǎn)生器和控制方式,主要內容,什么是CPU？所謂中央處理器是控制計算機來自動完成取出指令和執(zhí)行指令任務的部件。它是計算機的核心部件，通常簡稱為CPU。,CPU的功能和組成,CPU的功能指令控制：就是保證機器按規(guī)定的順序執(zhí)行程序操作控制：CPU管理并產(chǎn)生由內存取出的每條指令的操作信號，并把各種操作信號送往相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行動作。時間控制：對各種操作實施時間上的控制，稱為時間控制。數(shù)據(jù)加工：所謂數(shù)據(jù)加工，就是對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算處理。完成數(shù)據(jù)的加工處理，這是CPU的根本的任務。,CPU的功能和組成,（2）,CPU的基本組成中央處理器由兩個主要部分控制器和運算器組成。,CPU的功能和組成,控制器由程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作控制器組成，它是發(fā)布命令的“決策機構”，即完成協(xié)調和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作?？刂破鞯闹饕δ苡校簭膬却嬷腥〕鲆粭l指令，并指出下一條指令在內存中的位置。對指令進行譯碼或測試，并產(chǎn)生相應的控制信號。指揮并控制CPU，內存和I/O之間的數(shù)據(jù)流動的方向。,CPU的功能和組成,運算器由算術邏輯單位（ALU）、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器組成，它是數(shù)據(jù)加工處理部件。相對控制器而言，運算器接受控制器的命令而進行動作，即運算器所進行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。運算器的主要功能：執(zhí)行所有的算術運算。執(zhí)行所有的邏輯運算。,CPU的功能和組成,CPU結構框圖,PCIR,ALU寄存器,中斷系統(tǒng),1.CPU與系統(tǒng)總線,CU時序電路,寄存器組,1通用寄存器（Ri）2暫存器（R）3指令寄存器（IR）4程序計數(shù)器（PC）5程序狀態(tài)字寄存器（PSW）6地址寄存器（MAR）7數(shù)據(jù)寄存器（MDR）PSW:1特征位：進位C、溢出V、零位Z、負位N、奇偶P2編程設定位：（程序調試、中斷相應、工作方式）程序跟蹤位T、容許中斷位I、工作方式字段。,I,T,P,N,Z,V,C,1.用戶可見寄存器,(1)通用寄存器,三、CPU的寄存器=用戶可見寄存器,存放操作數(shù),可作某種尋址方式所需的專用寄存器,(2)暫存器,存放操作數(shù),(3)地址寄存器,存放地址，其位數(shù)應滿足最大的地址范圍,用于特殊的尋址方式段基值棧指針,(4)PSW為部分可見寄存器,存放條件碼，可作程序分支的依據(jù),如正、負、零、溢出、進位等,2.控制和狀態(tài)寄存器,(1)控制寄存器,PC,控制CPU操作,(2)狀態(tài)寄存器,其中MAR、MDR、IR用戶不可見,存放條件碼=用戶可見,PSW寄存器,存放程序狀態(tài)字,PC用戶可見,MAR,M,MDR,IR,CPU的功能和組成,CPU的主要寄存器,CPU的功能和組成,累加寄存器AC累加寄存器AC通常簡稱為累加器，它的功能是：當運算器的算術邏輯單元（ALU）執(zhí)行全部算術和邏輯運算時，為ALU提供一個工作區(qū)。累加寄存器是暫時存放ALU運算的結果信息。顯然，運算器中至少要有一個累加寄存器。,狀態(tài)條件寄存器PSW狀態(tài)條件寄存器保存由算術指令和邏輯指令運行或測試的結果建立的各種條件碼內容，同時狀態(tài)條件寄存器還保存中斷和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息，以便使CPU和系統(tǒng)能及時了解機器運行狀態(tài)和程序運行狀態(tài)。因此，狀態(tài)條件寄存器是一個由各種狀態(tài)條件標志拼湊而成的寄存器。,CPU的功能和組成,程序計數(shù)器PC程序計數(shù)器中存放的是下一條指令在內存中的地址。,指令寄存器IR指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。,CPU的功能和組成,地址寄存器MAR地址寄存器用來保存當前CPU所訪問的內存單元的地址。由于在內存和CPU之間存在著操作速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內存的讀/寫操作完成為止。,緩沖寄存器MDR緩沖寄存器用來暫時存放由內存儲器讀出的一條指令或一個數(shù)據(jù)字；反之，當向內存存入一條指令或一個數(shù)據(jù)字時，也暫時將它們存放在緩沖寄存器中。,操作控制器和時序產(chǎn)生器數(shù)據(jù)通路：通常把許多寄存器之間傳送信息的通路，稱為“數(shù)據(jù)通路”。操作控制器：根據(jù)指令操作碼和時序信號，產(chǎn)生各種操作信號，以便正確建立數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的操作。時序產(chǎn)生器：因為計算機高速地進行工作，每一個動作的時間是非常嚴格的，不能有任何差錯。時序產(chǎn)生器的作用，就是對各種操作實施時間上的控制。,CPU的功能和組成,程序的執(zhí)行過程：,指令周期,馮.諾依曼結構的計算機執(zhí)行程序的順序：1.正確從程序首地址開始.2.正確分步執(zhí)行每一條指令，并形成下條待執(zhí)行指令的地址.3.正確并自動地連續(xù)執(zhí)行指令，直到程序的最后一條指令.,讀取指令指令地址送入主存地址寄存器讀主存，讀出內容送入指定的寄存器分析指令按指令規(guī)定內容執(zhí)行指令不同指令的操作步驟數(shù)和具體操作內容差異很大檢查有無中斷請求若無，則轉入下一條指令的執(zhí)行過程,指令周期,形成下一條指令地址,指令的執(zhí)行過程,指令執(zhí)行過程,取指令分析指令（對指令譯碼）執(zhí)行指令,分析指令,指令周期的基本概念,指令周期,指令周期：CPU每取出并執(zhí)行一條指令，都要完成一系列的操作，這一系列操作所需用的時間通常叫做一個指令周期。,機器周期：指令周期常常用若干個CPU周期數(shù)來表示，CPU周期也稱為機器周期。,時鐘周期：由于CPU內部的操作速度較快，而CPU訪問一次內存所花的時間較長，因此通常用內存中讀取一個指令字的最短時間來規(guī)定CPU周期。而一個CPU周期時間又包含有若干個時鐘周期（通常稱為節(jié)拍脈沖或T周期，它是處理操作的最基本單位）。這些時鐘周期的總和則規(guī)定了一個CPU周期的時間寬度。,指令周期,指令周期,T周期,（取指令）,（執(zhí)行指令）,相互關系：1個指令周期=若干個CPU周期1個CPU周期=若干T周期,指令周期,指令周期,取指周期,指令周期,間址周期,指令周期,執(zhí)行周期許多類型主要是涉及到處理器內部的寄存器可能的操作有數(shù)據(jù)傳輸ALU控制指令的處理,指令周期,中斷周期,指令周期,下面以一個簡單的程序來具體認識每一條指令的指令周期和執(zhí)行過程。,指令周期,CLA指令的指令周期,指令周期,一個CPU周期,一個CPU周期,取指令階段,執(zhí)行指令階段,開始,取指令PC+1,對指令譯碼,執(zhí)行指令,取下條指令PC+1,指令周期,算術邏輯單元,狀態(tài)條件寄存器,程序記數(shù)器PC,地址寄存器AR,地址總線ABUS,數(shù)據(jù)總線DBUS,累加器AC,緩沖寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令譯碼器,操作控制器時序產(chǎn)生器,時鐘,狀態(tài)反饋,取指控制,執(zhí)行控制,c,c,c,c,+1,000020,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD30,STA40,NOP,JMP21,000006,000020,CLA,CLA,000021,指令周期,算術邏輯單元,狀態(tài)條件寄存器,程序記數(shù)器PC,地址寄存器AR,地址總線ABUS,數(shù)據(jù)總線DBUS,累加器AC,緩沖寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令譯碼器,操作控制器時序產(chǎn)生器,時鐘,狀態(tài)反饋,取指控制,執(zhí)行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD30,STA40,NOP,JMP21,000006,000020,CLA,CLA,000021,ADD指令的指令周期,指令周期,ADD指令的指令周期由三個CPU周期組成。第一個CPU周期為取指令階段。第二個CPU周期中將操作數(shù)的地址送往地址寄存器并完成地址譯碼。在第三個CPU周期中從內存取出操作數(shù)并執(zhí)行相加的操作。,指令周期,一個CPU周期,一個CPU周期,取指令階段,執(zhí)行指令階段,開始,取指令PC+1,對指令譯碼,送操作數(shù)地址,取下條指令PC+1,取出操作數(shù),執(zhí)行加操作,一個CPU周期,指令周期,算術邏輯單元,狀態(tài)條件寄存器,程序記數(shù)器PC,地址寄存器AR,地址總線ABUS,數(shù)據(jù)總線DBUS,累加器AC,緩沖寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令譯碼器,操作控制器時序產(chǎn)生器,時鐘,狀態(tài)反饋,取指控制,執(zhí)行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD30,STA40,NOP,JMP21,000006,000021,ADD,ADD30,000021,000022,000030,000006,0+6=6,000006,STA指令的指令周期,指令周期,STA指令的指令周期由四個CPU周期組成。其中第一個CPU周期仍然是取指令階段，其過程和CLA指令、ADD指令完全一樣，不同的是此階段中程序計數(shù)器加1后變?yōu)?23，因而為取第四條指令做好了準備。我們假定，第一個CPU周期后結束，“STA40”指令已放入指令寄存器并完成譯碼測試。,指令周期,算術邏輯單元,狀態(tài)條件寄存器,程序記數(shù)器PC,地址寄存器AR,地址總線ABUS,數(shù)據(jù)總線DBUS,累加器AC,緩沖寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令譯碼器,操作控制器時序產(chǎn)生器,時鐘,狀態(tài)反饋,取指控制,執(zhí)行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,40,CLA,ADD30,STA40,NOP,JMP21,000006,000022,STA,STA40,000022,000023,000040,000006,000006,000006,NOP指令和JMP指令的指令周期,指令周期,NOP指令是一條空指令，包含兩個CPU周期，第一個周期取指令，第二個周期執(zhí)行指令，因是空指令，所以操作控制器不發(fā)出任何控制信號。JMP指令由兩個CPU周期組成，第一個周期是取指令周期，同其他指令。第二個周期為執(zhí)行階段，CPU把指令寄存器中的地址碼部分21送到程序計數(shù)器，從而用新內容21代替PC原先的內容25，這樣，下一條指令將不從25單元中讀出，而從21電源開始讀出并執(zhí)行，從而改變了程序原先的執(zhí)行順序。,指令周期,算術邏輯單元,狀態(tài)條件寄存器,程序記數(shù)器PC,地址寄存器AR,地址總線ABUS,數(shù)據(jù)總線DBUS,累加器AC,緩沖寄存器DR,ALU,指令寄存器IR,指令譯碼器,操作控制器時序產(chǎn)生器,時鐘,狀態(tài)反饋,取指控制,執(zhí)行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,40,CLA,ADD30,STA40,NOP,JMP21,000006,000024,JMP21,JMP21,000024,000021,000006,000006,000025,000021,用方框圖語言表示指令周期在進行計算機設計時，可以采用方框圖語言來表示一條指令的指令周期。一個方框代表一個CPU周期，方框中的內容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制。一個菱形符號代表某種判別或測試，不過時間它依附于它前面一個方框的CPU周期，而不單獨占用一個CPU周期。符號“”代表一個公操作。,指令周期,指令周期,PCARABUSDBUSDRIRPC+1,譯碼或測試,0AC,IRAR,IRAR,IRPCPCAR,ARABUSDBUSDRRDALUALUAC,ARABUSACDRDRDBUS,CLA,ADD,STA,JMP,NOP,小結：各類信息的傳送路徑指令：M-DR-DBUS-IR地址：PC-ABUS-AR-（取決于尋址方式）數(shù)據(jù)：寄存器-寄存器總線直接傳送寄存器-存儲器Ri-DBUS-DR-M存儲器-寄存器M-DR-BUS-Ri,指令周期,例：如圖所示為雙總線結構機器的數(shù)據(jù)通路，控制信號G控制的是一個門電路?！癆DDR2，R0”指令完成（R0）+（R2）R0功能操作。假設該指令的地址已放入PC中?！癝UBR1，R3”指令完成（R3）-（R1）R3的功能操作。,指令周期,指令周期,AR,M,A,B,ALU,IRi,IRo,PCi,PCi,ARi,DRi,DRo,R0i,R0o,R3i,R3o,Xi,Yi,A總線,B總線,G,+-,R/W,指令周期,PCAR,MDR,DRIR,R2Y,R0X,R0+R2R0,PCAR,MDR,DRIR,R3Y,R1X,R3-R1R3,PC0，G，ARi,DR0，G，IRi,R2o，G，Yi,R00，G，Xi,+，G，R0I,R/W=R,R3o，G，Yi,R1o，G，Xi,-，G，R3i,時序信號的作用和體制計算機的協(xié)調動作需要時間標志，而時間標志則是用時序信號來體現(xiàn)的。操作控制器發(fā)出的各種控制信號都是時間因素（時序信號）和空間因素（部件位置）的函數(shù)。組成計算機硬件的器件特性決定了時序信號最基本的體制是電位-脈沖制。,時序產(chǎn)生器和控制方式,常用的操作控制器有兩種：硬布線控制器微程序控制器,時序產(chǎn)生器和控制方式,硬布線控制器中時序信號采用主狀態(tài)周期節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖三級體制微程序控制中時序信號采用節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖二級體制。,時序產(chǎn)生器和控制方式,主狀態(tài)周期（指令周期）：包含若干個節(jié)拍周期，可以用一個觸發(fā)器的狀態(tài)持續(xù)時間來表示。節(jié)拍電位（機器周期）：包含若干個節(jié)拍脈沖，表示較大的時間單位。節(jié)拍脈沖（時鐘周期）：表示較小的時間單位。,時序產(chǎn)生器和控制方式,時序信號產(chǎn)生器的組成時鐘源環(huán)形脈沖發(fā)生器節(jié)拍脈沖和讀/寫時序的譯碼啟?？刂七壿?時序產(chǎn)生器和控制方式,時序產(chǎn)生器和控制方式,啟停控制邏輯,節(jié)拍脈沖和對時序譯碼邏輯,環(huán)形脈沖發(fā)生器,IORQMREQRDWET1T2T3T4,IORQMREQRDWET1T2T3T4,MERQ,IORQ,RD,WR,時鐘脈沖源,時鐘脈沖源,環(huán)形脈沖發(fā)生器,節(jié)拍脈沖和對時序譯碼邏輯,啟停