計算機組成原理CPU子系統(tǒng)概述與ALU-電子工業(yè)出版社--羅克露

1、第三章 CPU子系統(tǒng)主要知識點： 的組成、的時序控制方式、控制器分類 運算器的組織、基本運算方法(主要是定點數(shù)的加、減、乘、除運算) 及其硬件電路實現(xiàn)方法 3模型計算機的數(shù)據(jù)通路、指令的執(zhí)行流程和操作時間表、組合邏輯控制器的設(shè)計原理。 4微程序控制器的基本概念和原理，模型計算機的微程序設(shè)計方法， 重點：定點數(shù)的加、減、乘、除運算、數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)、指令的執(zhí)行流程、操作時間表的設(shè)計、微程序控制器的原理及微程序設(shè)計方法。 難點：定點數(shù)的乘、除運算， 指令的執(zhí)行流程、操作時間表的設(shè)計，微程序控制器的原理及設(shè)計方法。3.1 概述概述 3.1.1 CPU的組成的組成 移 位 器選擇器/鎖存器選擇器/鎖存器

2、選擇命令選擇命令初始進位選擇命令操作數(shù)操作數(shù)(基本的運算部件)ALU 按數(shù)據(jù)流向，可以分為三級： （1）輸入級：多路選擇器或鎖存器組成。 （2）ALU （3） 輸出級 1、 運算部件運算部件運算部件的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 運算部件的設(shè)置，按功能，可以分為四檔：運算部件的設(shè)置，按功能，可以分為四檔： （1）（普通微處理器） 只設(shè)一個ALU （2 ）（高檔微處理器） 設(shè)置一個ALU，并配合時序控制器 （3）（超級小型計算機）設(shè)置一個ALU，且將定點乘除部件和浮點部件作為基本配置 （4） （大、巨型機） 備有多個運算部件，實現(xiàn)流水處理。2 2、寄存器設(shè)置、寄存器設(shè)置 （1）通用寄存器組 特點； 是用

3、戶可以“編程訪問”，對用戶是不透明的， （2）暫存器 特點：用戶不可以“編程訪問”，對用戶是透明的， （3）指令寄存器IR 存放正要執(zhí)行的指令 （4）程序計數(shù)器 PC 存放將要執(zhí)行的下條指令地址 （5） 程序狀態(tài)字寄存器 PSW （6）存儲器地址寄存器 MAR （7）數(shù)據(jù)緩沖寄存器 MBR （或表示為MDR）3 3、時序系統(tǒng)、時序系統(tǒng) 每一條機器指令的執(zhí)行都需要分若干步驟的操作完成，每一個操作又需要嚴(yán)格的定時控制。 計算機中通常采用 “周期、節(jié)拍、脈沖 ”這三級時序信號，見下圖。脈沖節(jié)拍機器周期 產(chǎn)生周期、節(jié)拍、脈沖等時序信號的部件。叫“時序系統(tǒng)”，它有三部分組成： 主振蕩器（脈沖源）、計數(shù)分

4、頻邏輯、啟?？刂七壿?。4 4、微命令產(chǎn)生部件、微命令產(chǎn)生部件 （見下圖）（見下圖） 微操作信號發(fā)生器時序信號譯碼譯碼程序計數(shù)器地址形成部件狀態(tài)寄存器操作碼地 址 碼(尋址方式) ( 寄存器號)PSWPCIR指令寄存器微操作命令+1送主存或運算器運行狀態(tài)I/O狀態(tài)控制臺信息來自主存(控制器基本框圖)微操作命令 C： C= f (Im , Ti, Bj)5 5、 CPUCPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu) 兩種基本的典型數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)： (1) 單組內(nèi)總線、分立寄存器結(jié)構(gòu)。 移位器選擇器選擇器內(nèi)部總線R0Rn+1MS0S3R0RnR0Rn(a) 帶多路選擇器的運算器ALU(2) 單組內(nèi)總線、集中寄

5、存器結(jié)構(gòu)。 鎖 存 器鎖 存 器移 位 器MS0S3RR0n內(nèi) 部 總 線(b) 帶 輸 入 鎖 存 器 的 運 算 器ALU+1段單元頁單元指令對列指令預(yù)譯碼譯碼與排序控制ROM移位器加法器乘除器寄存器地址驅(qū)動器雙工收發(fā)器32位有效地址總線地址控制數(shù)據(jù)運算器內(nèi)部控制總線控制器指令預(yù)取ALU總線Intel 80386 內(nèi)部結(jié)構(gòu)典型典型CPU結(jié)構(gòu)舉例結(jié)構(gòu)舉例 3.1.2 3.1.2 時序控制方式時序控制方式 1、同步控制方式、同步控制方式 脈沖節(jié)拍機器周期主主 設(shè)設(shè) 備備 獲獲 得得 總總 線線 使使 用用 權(quán)權(quán)主主 設(shè)設(shè) 備備 訪訪 問問 從從 設(shè)設(shè) 備備主主 設(shè)設(shè) 備備 發(fā)發(fā) 送送 / /

6、接接 收收 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)主主 設(shè)設(shè) 備備 釋釋 放放 總總 線線 使使 用用 權(quán)權(quán)從從 設(shè)設(shè) 備備？準(zhǔn)準(zhǔn) 備備 好好 N NY Y2 2、異步控制方式、異步控制方式 異步應(yīng)答流程圖異步應(yīng)答流程圖3、同步控制在實際應(yīng)用中的變化 （1） 不同指令安排不同的時鐘周期數(shù) T T1 1T T2 2T T3 3T T4 4送 地 址讀 /寫結(jié) 束總 線 周 期T T1 1T T2 2T T3 3T TW W總 線 周 期T T4 4同步方式下的總線周期同步方式下的總線周期插入延長周期的總線周期插入延長周期的總線周期（2）總線周期中允許插入延長周期 （3）同步方式中引入異步應(yīng)答 3.1.3 控制器分類控制器分

7、類 1、組合邏輯控制器、組合邏輯控制器微操作信號發(fā)生器時序信號譯碼譯碼程序計數(shù)器地址形成部件狀態(tài)寄存器操作碼地 址 碼(尋址方式) ( 寄存器號)PSWPCIR指令寄存器微操作命令+1送主存或運算器運行狀態(tài)I/O狀態(tài)控制臺信息來自主存組組合合邏邏輯輯控控制制器器IRPSWPC微地址形成電路微地址寄存器uAR微操作控制字段順序控制字段譯碼譯碼微指令寄存器uIR指令代碼運行狀態(tài)微命令序列順序控制方式微地址給定部分ROM控制存儲器CM(微程序控制器原理框圖）2、微程序控制器、微程序控制器3.1.4 CPU與外部的信息交換1、主機與外設(shè)的連接方式、主機與外設(shè)的連接方式 （1 1）輻射型）輻射型 （星型

8、）（星型） 主機接口I/OI/OI/Oa) 輻射型 特點：特點： 每個外設(shè)與主機之間每個外設(shè)與主機之間都有一組單獨的總線，都有一組單獨的總線， 現(xiàn)在的星型連接是通現(xiàn)在的星型連接是通過接口卡實現(xiàn)的。過接口卡實現(xiàn)的。 缺點是不易擴展缺點是不易擴展 主機I/OI/O總線b)總線型主機通道通道I/OI/OI/OI/Oc)通道型 （3 3）通道型）通道型 （2 2）總線型）總線型 特點特點：結(jié)構(gòu)簡單、易：結(jié)構(gòu)簡單、易于擴展，但信息吞吐量于擴展，但信息吞吐量受限制，速度不高。是受限制，速度不高。是適宜、用于較小的系統(tǒng)。適宜、用于較小的系統(tǒng)。 特點：適用于規(guī)模特點：適用于規(guī)模大、設(shè)備數(shù)量和類型多大、設(shè)備數(shù)量

9、和類型多的系統(tǒng)，速度快，信息的系統(tǒng)，速度快，信息吞吐量大。吞吐量大。2 2、信息傳送的控制方式、信息傳送的控制方式 （1）直接程序傳送方式）直接程序傳送方式 CPUCPU的控制流程如右圖。的控制流程如右圖。啟動I/O設(shè)備執(zhí)行I/O指令進行數(shù)據(jù)傳送I/O設(shè)備好?NYa) 主機狀態(tài)特點特點： （1） CPU主動查詢，控制整主動查詢，控制整個傳送過程，個傳送過程， （2）CPU與外設(shè)是串行工作的。與外設(shè)是串行工作的。 外設(shè)狀態(tài)的描述：外設(shè)狀態(tài)的描述： 通常，設(shè)備接口中設(shè)有兩個狀態(tài)觸發(fā)器：通常，設(shè)備接口中設(shè)有兩個狀態(tài)觸發(fā)器：“忙忙”觸觸發(fā)器發(fā)器B、完成觸發(fā)器。表示設(shè)備忙，、完成觸發(fā)器。表示設(shè)備忙，表示

10、設(shè)備已完成（也叫表示設(shè)備已完成（也叫“準(zhǔn)備好準(zhǔn)備好”，用表示），用表示）空閑工作結(jié)束000110啟動清除忙完成一次操作b) 外設(shè)狀態(tài)完成外圍設(shè)備有三種狀態(tài)：外圍設(shè)備有三種狀態(tài)：、時稱、時稱“空閑空閑”；、稱；、稱“忙忙”，、時稱、時稱“完成完成”（或叫（或叫“準(zhǔn)備好準(zhǔn)備好”） 見下面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：見下面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：（）程序中斷方式（）程序中斷方式（1）什么叫程序中斷？）什么叫程序中斷？ 程序中斷是一種工作方式，程序中斷是一種工作方式，CPU暫?，F(xiàn)行程序的執(zhí)暫?，F(xiàn)行程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，以處理某個隨機事件，處理行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，以處理某個隨機事件，處理完畢后自動回到原來程序

11、處執(zhí)行，這一過程叫完畢后自動回到原來程序處執(zhí)行，這一過程叫“程序中程序中斷斷”。 程序中斷過程與子程序調(diào)用過程的不同之處主要在程序中斷過程與子程序調(diào)用過程的不同之處主要在于：處理事件的隨機性。于：處理事件的隨機性。 （2）程序中斷方式控制主機與外設(shè)間信息傳送的特點：）程序中斷方式控制主機與外設(shè)間信息傳送的特點： CPU啟動外設(shè)后，不再主動查詢外設(shè)，而是由外設(shè)主啟動外設(shè)后，不再主動查詢外設(shè)，而是由外設(shè)主動向提請求；響應(yīng)后再控制傳送。所以動向提請求；響應(yīng)后再控制傳送。所以與外部設(shè)備之間的工作時間關(guān)系是并行的。與外部設(shè)備之間的工作時間關(guān)系是并行的。（）方式（）方式特點：方式是直接依靠硬件控制在外設(shè)與

12、存特點：方式是直接依靠硬件控制在外設(shè)與存儲器之間進行數(shù)據(jù)的傳送的一種工作方式，在傳期間不儲器之間進行數(shù)據(jù)的傳送的一種工作方式，在傳期間不需要的介入。所以，與外設(shè)是并行工作的。需要的介入。所以，與外設(shè)是并行工作的。 方式有三種模式：方式有三種模式： （1）暫停）暫停CPU訪問內(nèi)存法訪問內(nèi)存法 （2）周期挪用法（也叫周期竊取法）周期挪用法（也叫周期竊取法） （3）DMA與與CPU交替訪問內(nèi)存法。交替訪問內(nèi)存法。 三種方式的時間關(guān)系比較見下面的圖：三種方式的時間關(guān)系比較見下面的圖：mPT0T1工作周期i工作周期i+1多級時序示意圖多級時序示意圖3.2 3.2 算術(shù)邏輯運算部件算術(shù)邏輯運算部件 3.2

13、.1 加法單元加法單元i+1iCiAiBiC用半加器構(gòu)成的全加器3.2.2 并行加法器與進位鏈結(jié)構(gòu)并行加法器與進位鏈結(jié)構(gòu)An-1Bn-1Cn-1Cnn-1A1B1C1A0B00C2C0C11、串行進位加法器、串行進位加法器行波進位加法器邏輯圖C1C2C3C40P0P1P2P3G3G2G1G0C2、并行進位鏈、并行進位鏈四四位位并并行行加加法法器器1512A15B15A12B12C16四四位位并并行行加加法法器器118A11B11A8B8C12四四位位并并行行加加法法器器74A7B7A4B4C8四四位位并并行行加加法法器器30A3B3A0B0C4C0組內(nèi)并行,組間串行的16位加法器3、組內(nèi)并行、組間串行進位加法器、組內(nèi)并行、組間串行進位加法器四四位位并并行行加加法法器器A15B15A12B1212四四位位并并行行加加法法器器A11B11A8B8118四四位位并并行行加加法法器器A7B7A4B474四四位位并并行行加加法法器器A3B3A0B030C16C12C8C4C015P3G3*P3G3*P2G2*P1G1*組組間間并并行行進進位位鏈鏈(1級) 4、 組內(nèi)并行、組間并行進位加法器組內(nèi)并行、組間并行進位加法器FiXiYiS3S2BiS1S0Ci-1MAi3.2.3 ALU