計(jì)算機(jī)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(shí)點(diǎn)： 的組成、的時(shí)序控制方式、控制器分類 運(yùn)算器的組織、基本運(yùn)算方法(主要是定點(diǎn)數(shù)的加、減、乘、除運(yùn)算) 及其硬件電路實(shí)現(xiàn)方法 3模型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通路、指令的執(zhí)行流程和操作時(shí)間表、組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)原理。 4微程序控制器的基本概念和原理，模型計(jì)算機(jī)的微程序設(shè)計(jì)方法， 重點(diǎn)：定點(diǎn)數(shù)的加、減、乘、除運(yùn)算、數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)、指令的執(zhí)行流程、操作時(shí)間表的設(shè)計(jì)、微程序控制器的原理及微程序設(shè)計(jì)方法。 難點(diǎn)：定點(diǎn)數(shù)的乘、除運(yùn)算， 指令的執(zhí)行流程、操作時(shí)間表的設(shè)計(jì)，微程序控制器的原理及設(shè)計(jì)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(jìn)位選擇命令操作數(shù)操作數(shù)(基本的運(yùn)算部件)ALU 按數(shù)據(jù)流向，可以分為三級(jí)： （1）輸入級(jí)：多路選擇器或鎖存器組成。 （2）ALU （3） 輸出級(jí) 1、 運(yùn)算部件運(yùn)算部件運(yùn)算部件的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 運(yùn)算部件的設(shè)置，按功能，可以分為四檔：運(yùn)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(gè)ALU （2 ）（高檔微處理器） 設(shè)置一個(gè)ALU，并配合時(shí)序控制器 （3）（超級(jí)小型計(jì)算機(jī)）設(shè)置一個(gè)ALU，且將定點(diǎn)乘除部件和浮點(diǎn)部件作為基本配置 （4） （大、巨型機(jī)） 備有多個(gè)運(yùn)算部件，實(shí)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(diǎn)； 是用

3、戶可以“編程訪問”，對(duì)用戶是不透明的， （2）暫存器 特點(diǎn)：用戶不可以“編程訪問”，對(duì)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(jì)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(chǔ)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(shí)序系統(tǒng)、時(shí)序系統(tǒng) 每一條機(jī)器指令的執(zhí)行都需要分若干步驟的操作完成，每一個(gè)操作又需要嚴(yán)格的定時(shí)控制。 計(jì)算機(jī)中通常采用 “周期、節(jié)拍、脈沖 ”這三級(jí)時(shí)序信號(hào)，見下圖。脈沖節(jié)拍機(jī)器周期 產(chǎn)生周期、節(jié)拍、脈沖等時(shí)序信號(hào)的部件。叫“時(shí)序系統(tǒng)”，它有三部分組成： 主振蕩器（脈沖源）、計(jì)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(hào)發(fā)生器時(shí)序信號(hào)譯碼譯碼程序計(jì)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(hào))PSWPCIR指令寄存器微操作命令+1送主存或運(yùn)算器運(yùn)行狀態(tài)I/O狀態(tài)控制臺(tái)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(yùn)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(yùn) 算 器ALU+1段單元頁單元指令對(duì)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(dòng)器雙工收發(fā)器32位有效地址總線地址控制數(shù)據(jù)運(yùn)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(shí)序控制方式時(shí)序控制方式 1、同步控制方式、同步控制方式 脈沖節(jié)拍機(jī)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(shí)際應(yīng)用中的變化 （1） 不同指令安排不同的時(shí)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(zhǎng)周期的總線周期插入延長(zhǎng)周期的總線周期（2）總線周期中允許插入延長(zhǎng)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(hào)發(fā)生器時(shí)序信號(hào)譯碼譯碼程序計(jì)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(hào))PSWPCIR指令寄存器微操作命令+1送主存或運(yùn)算器運(yùn)行狀態(tài)I/O狀態(tài)控制臺(tái)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(yùn)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(chǔ)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(jī)與外設(shè)的連接方式、主機(jī)與外設(shè)的連接方式 （1 1）輻射型）輻射型 （星型

8、）（星型） 主機(jī)接口I/OI/OI/Oa) 輻射型 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 每個(gè)外設(shè)與主機(jī)之間每個(gè)外設(shè)與主機(jī)之間都有一組單獨(dú)的總線，都有一組單獨(dú)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(shí)現(xiàn)的。過接口卡實(shí)現(xiàn)的。 缺點(diǎn)是不易擴(kuò)展缺點(diǎn)是不易擴(kuò)展 主機(jī)I/OI/O總線b)總線型主機(jī)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(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展，但信息吞吐量于擴(kuò)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(diǎn)：適用于規(guī)模特點(diǎn)：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(dòng)I/O設(shè)備執(zhí)行I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送I/O設(shè)備好?NYa) 主機(jī)狀態(tài)特點(diǎn)特點(diǎn)： （1） CPU主動(dòng)查詢，控制整主動(dòng)查詢，控制整個(gè)傳送過程，個(gè)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(gè)狀態(tài)觸發(fā)器：通常，設(shè)備接口中設(shè)有兩個(gè)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(dòng)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(shí)稱、時(shí)稱“空閑空閑”；、稱；、稱“忙忙”，、時(shí)稱、時(shí)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)暫停現(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(gè)隨機(jī)事件，處理行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，以處理某個(gè)隨機(jī)事件，處理完畢后自動(dòng)回到原來程序

11、處執(zhí)行，這一過程叫完畢后自動(dòng)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(jī)性。于：處理事件的隨機(jī)性。 （2）程序中斷方式控制主機(jī)與外設(shè)間信息傳送的特點(diǎn)：）程序中斷方式控制主機(jī)與外設(shè)間信息傳送的特點(diǎn)： CPU啟動(dòng)外設(shè)后，不再主動(dòng)查詢外設(shè)，而是由外設(shè)主啟動(dòng)外設(shè)后，不再主動(dòng)查詢外設(shè)，而是由外設(shè)主動(dòng)向提請(qǐng)求；響應(yīng)后再控制傳送。所以動(dòng)向提請(qǐng)求；響應(yīng)后再控制傳送。所以與外部設(shè)備之間的工作時(shí)間關(guān)系是并行的。與外部設(shè)備之間的工作時(shí)間關(guān)系是并行的。（）方式（）方式特點(diǎn)：方式是直接依靠硬件控制在外設(shè)與

12、存特點(diǎn)：方式是直接依靠硬件控制在外設(shè)與存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送的一種工作方式，在傳期間不儲(chǔ)器之間進(jìn)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(shí)間關(guān)系比較見下面的圖：三種方式的時(shí)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(jí)時(shí)序示意圖多級(jí)時(shí)序示意圖3.2 3.2 算術(shù)邏輯運(yùn)算部件算術(shù)邏輯運(yùn)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(jìn)位鏈結(jié)構(gòu)并行加法器與進(jìn)位鏈結(jié)構(gòu)An-1Bn-1Cn-1Cnn-1A1B1C1A0B00C2C0C11、串行進(jìn)位加法器、串行進(jìn)位加法器行波進(jìn)位加法器邏輯圖C1C2C3C40P0P1P2P3G3G2G1G0C2、并行進(jìn)位鏈、并行進(jìn)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(jìn)位加法器、組內(nèi)并行、組間串行進(jìn)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(jìn)進(jìn)位位鏈鏈(1級(jí)) 4、 組內(nèi)并行、組間并行進(jìn)位加法器組內(nèi)并行、組間并行進(jìn)位加法器FiXiYiS3S2BiS1S0Ci-1MAi3.2.3 ALU