基本組成與概念

1、 第三章第三章 CPU子系統(tǒng)子系統(tǒng)本章主要討論本章主要討論:運(yùn)算器運(yùn)算器 控制器控制器數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)與外部的連接與外部的連接指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程CPU組成組成CPU工作原理工作原理第一節(jié)第一節(jié) CPU概論概論CPU的基本功能的基本功能: l l 數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工: l l 時(shí)間控制時(shí)間控制: l l 操作控制操作控制: l l 指令控制指令控制: 程序的順序控制程序的順序控制, 稱為指令控制。稱為指令控制。 產(chǎn)生每條指令的操作信號(hào)產(chǎn)生每條指令的操作信號(hào), 并將各并將各種操作信號(hào)送往相應(yīng)的部件種操作信號(hào)送往相應(yīng)的部件, 控制控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。這些部件按指令的要求

2、進(jìn)行動(dòng)作。 對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí), 稱稱為時(shí)間控制。為時(shí)間控制。 所謂數(shù)據(jù)加工所謂數(shù)據(jù)加工, 就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理。算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理。 3.1 CPU的基本組成的基本組成 傳統(tǒng)傳統(tǒng)CPU的組成的組成: 現(xiàn)代的現(xiàn)代的CPU的基本部分有的基本部分有:運(yùn)算部件運(yùn)算部件 Cache 控制器控制器運(yùn)算部件運(yùn)算部件 控制器控制器 (在諾曼機(jī)的定義中在諾曼機(jī)的定義中) 1、運(yùn)算部件、運(yùn)算部件l l 應(yīng)能完成數(shù)據(jù)輸入應(yīng)能完成數(shù)據(jù)輸入(參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)參與運(yùn)算的數(shù)據(jù))l l 應(yīng)能對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算應(yīng)能對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算(或加工或加工)l l

3、應(yīng)能輸出運(yùn)算應(yīng)能輸出運(yùn)算(或加工或加工)后的結(jié)果后的結(jié)果因此運(yùn)算器有以下構(gòu)成因此運(yùn)算器有以下構(gòu)成: 輸出邏輯輸出邏輯ALU輸入邏輯輸入邏輯操作數(shù)操作數(shù)輸入邏輯輸入邏輯操作數(shù)操作數(shù)運(yùn)算結(jié)果運(yùn)算結(jié)果(1) 輸入邏輯輸入邏輯 選擇器或暫存器選擇器或暫存器(2) 算術(shù)邏運(yùn)算部件算術(shù)邏運(yùn)算部件 設(shè)置一個(gè)設(shè)置一個(gè)ALU, 完成基本的加完成基本的加減運(yùn)算減運(yùn)算, 復(fù)雜運(yùn)算由軟件完成復(fù)雜運(yùn)算由軟件完成; 設(shè)置一個(gè)設(shè)置一個(gè)ALU, 與相應(yīng)時(shí)序電路與相應(yīng)時(shí)序電路配合配合, 硬件完成定點(diǎn)乘除法運(yùn)算硬件完成定點(diǎn)乘除法運(yùn)算; 設(shè)置一個(gè)設(shè)置一個(gè)ALU, 但將乘除但將乘除法和浮點(diǎn)運(yùn)算部件作為法和浮點(diǎn)運(yùn)算部件作為ALU的基本

4、配置的基本配置; 配置多個(gè)運(yùn)算部件配置多個(gè)運(yùn)算部件(3) 輸出邏輯輸出邏輯 通常完成通常完成: 直送、左右移位、字節(jié)交換等功能。直送、左右移位、字節(jié)交換等功能。2、寄存器組、寄存器組CPU內(nèi)部需要若干寄存器來存放需要加工、內(nèi)部需要若干寄存器來存放需要加工、運(yùn)算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果等。運(yùn)算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果等。(1) 寄存器的兩種基本組成寄存器的兩種基本組成 獨(dú)立結(jié)構(gòu)寄存器獨(dú)立結(jié)構(gòu)寄存器由若干單獨(dú)的寄存器構(gòu)成由若干單獨(dú)的寄存器構(gòu)成 小型小型RAM每一個(gè)單元作為一個(gè)寄存器使用每一個(gè)單元作為一個(gè)寄存器使用.(2) 寄存器的分類寄存器的分類按寄存器存放的信息的類型按寄存器存放的信息的類型

5、(或使用的方式或使用的方式)進(jìn)進(jìn)行分類行分類(七類七類): 通用寄存器通用寄存器 一般是指可以通過程序訪問的、具有多種用一般是指可以通過程序訪問的、具有多種用途的寄存器途的寄存器, 每一個(gè)通用寄存器有編號(hào)與之對(duì)應(yīng)。每一個(gè)通用寄存器有編號(hào)與之對(duì)應(yīng)。 作用如作用如: 存放數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)(原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果等終結(jié)果等), 也可以存放地址進(jìn)行間接尋址、變也可以存放地址進(jìn)行間接尋址、變址尋址等。址尋址等。 標(biāo)識(shí)方法標(biāo)識(shí)方法: 不同的不同的CPU可能各不相同?？赡芨鞑幌嗤?。 如如: Intel8086的的 AX、BX、CX、DX、DI等等 PDP-11小型機(jī)的小型機(jī)的 R0、

6、R1 、 R2等等 暫存器暫存器 暫存器不能通過程序訪問暫存器不能通過程序訪問, 也沒有編號(hào)。也沒有編號(hào)。 主要作用是存放指令執(zhí)行過程中的中間信息。主要作用是存放指令執(zhí)行過程中的中間信息。 比如比如: l l 從一個(gè)主存單元讀數(shù)據(jù)存到另一個(gè)單元從一個(gè)主存單元讀數(shù)據(jù)存到另一個(gè)單元, 則則有以下過程有以下過程 單元單元暫存器暫存器單元單元; l l 為運(yùn)算器兩個(gè)輸入端提供數(shù)據(jù)為運(yùn)算器兩個(gè)輸入端提供數(shù)據(jù), 分兩次將操分兩次將操作數(shù)送往兩個(gè)不同的暫存器。作數(shù)送往兩個(gè)不同的暫存器。 指令寄存器指令寄存器 (IR) 存放從存貯單元中讀出的指令。存放從存貯單元中讀出的指令。 一個(gè)指令寄存器存放一條指令一個(gè)指

7、令寄存器存放一條指令, 也可以設(shè)置一也可以設(shè)置一個(gè)指令隊(duì)列個(gè)指令隊(duì)列, 存放多條指令存放多條指令 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 (PC、IC、IP) 用于跟蹤程序的地址。用于跟蹤程序的地址。 PC的初值為所要執(zhí)行的程序的首地址。的初值為所要執(zhí)行的程序的首地址。 如果一條指令占據(jù)如果一條指令占據(jù)1個(gè)單元個(gè)單元, 則一條指令被讀出則一條指令被讀出以后以后, 則進(jìn)行則進(jìn)行: PC+1 PC操作操作 ; 如果一條指令占據(jù)如果一條指令占據(jù)2個(gè)單元個(gè)單元, 則一條指令被讀出則一條指令被讀出以后以后, 則進(jìn)行則進(jìn)行: PC+2 PC操作操作; 依次類推。依次類推。 程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器(PSW) 用于記

8、錄程序指令過程中運(yùn)行的狀態(tài)和程序的用于記錄程序指令過程中運(yùn)行的狀態(tài)和程序的工具方式。主要由以下兩個(gè)部分構(gòu)成工具方式。主要由以下兩個(gè)部分構(gòu)成: l l 特征位特征位 進(jìn)位位進(jìn)位位C: 指令執(zhí)行后指令執(zhí)行后, 如果結(jié)果產(chǎn)生進(jìn)位如果結(jié)果產(chǎn)生進(jìn)位, 則將則將C置為置為1, 否則置否則置0; 溢出位溢出位V: 如果運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生溢出如果運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生溢出, 則將則將V置為置為1, 否則置否則置0; 零標(biāo)志零標(biāo)志Z: 如果運(yùn)算結(jié)果為如果運(yùn)算結(jié)果為0, 則將則將Z置為置為1, 否則否則置置0; 正負(fù)標(biāo)志正負(fù)標(biāo)志N: 如果運(yùn)算結(jié)果為負(fù)如果運(yùn)算結(jié)果為負(fù), 則將則將N置為置為1, 否則置否則置0; 奇偶標(biāo)志奇偶標(biāo)志P

9、: 如果運(yùn)算結(jié)果中如果運(yùn)算結(jié)果中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)的個(gè)數(shù)為奇數(shù), 將將P置為置為1, 否則置否則置0; (Intel8086的規(guī)定與此相反的規(guī)定與此相反)以上標(biāo)志位的狀態(tài)是由指令執(zhí)行的結(jié)果決定的。以上標(biāo)志位的狀態(tài)是由指令執(zhí)行的結(jié)果決定的。PSW的另一部分狀態(tài)的設(shè)置是由編程來決定的另一部分狀態(tài)的設(shè)置是由編程來決定, 其其典型的設(shè)置有典型的設(shè)置有: 跟蹤位跟蹤位T: 稱為斷點(diǎn)標(biāo)志稱為斷點(diǎn)標(biāo)志, 主要用于程序調(diào)試。主要用于程序調(diào)試。 如果編程時(shí)如果編程時(shí), 將將T置為置為1, 且在程序中安排一條測且在程序中安排一條測試指令試指令, 當(dāng)程序執(zhí)行到該測試指令時(shí)當(dāng)程序執(zhí)行到該測試指令時(shí), 程序?qū)⑥D(zhuǎn)程序?qū)⑥D(zhuǎn)入測

10、試程序。入測試程序。 單步標(biāo)志單步標(biāo)志 TF 將單步標(biāo)志置將單步標(biāo)志置1, 則程序每執(zhí)行一條指令則程序每執(zhí)行一條指令, 就產(chǎn)就產(chǎn)生一次內(nèi)部中斷。其功能主要用于程序調(diào)試。生一次內(nèi)部中斷。其功能主要用于程序調(diào)試。 中斷允許標(biāo)志或程序優(yōu)先級(jí)字段中斷允許標(biāo)志或程序優(yōu)先級(jí)字段: 中斷允許標(biāo)志中斷允許標(biāo)志I(或或TI): 根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行程序根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行程序與外部中斷的緊要程度與外部中斷的緊要程度, 處理器通過對(duì)該標(biāo)處理器通過對(duì)該標(biāo)志的設(shè)置志的設(shè)置, 決定是否響應(yīng)中斷請(qǐng)求。決定是否響應(yīng)中斷請(qǐng)求。 為每一程序和中斷請(qǐng)求設(shè)置優(yōu)先級(jí)為每一程序和中斷請(qǐng)求設(shè)置優(yōu)先級(jí), 僅當(dāng)中僅當(dāng)中斷請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)高于正在執(zhí)行的程序的優(yōu)斷

11、請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)高于正在執(zhí)行的程序的優(yōu)先級(jí)先級(jí), 才響應(yīng)中斷請(qǐng)求。才響應(yīng)中斷請(qǐng)求。(在微型計(jì)算機(jī)中在微型計(jì)算機(jī)中, 一般采用前一種方式一般采用前一種方式) 地址寄存器地址寄存器 MAR CPU訪問存儲(chǔ)器和訪問訪問存儲(chǔ)器和訪問I/O端口的地址首先存端口的地址首先存入入MAR, 再有再有MAR送往外部地址總線。送往外部地址總線。 數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器 MBR (或或MDR) 用于暫存用于暫存CPU與存儲(chǔ)器和外與存儲(chǔ)器和外設(shè)之間通信的數(shù)據(jù)。設(shè)之間通信的數(shù)據(jù)?？梢钥闯隹梢钥闯? MAR、MBR是是CPU聯(lián)系存儲(chǔ)器聯(lián)系存儲(chǔ)器和外設(shè)之間的橋梁和外設(shè)之間的橋梁, 如下圖所示如下圖所示:CPUMARMBR

12、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器I/O接口接口和設(shè)備和設(shè)備3、微命令產(chǎn)生部件、微命令產(chǎn)生部件“第一章第一章 概論概論”中的描述中的描述: 計(jì)算機(jī)工作過程計(jì)算機(jī)工作過程: 信息以電信號(hào)形式的流動(dòng)信息以電信號(hào)形式的流動(dòng) 流動(dòng)過程是受控的流動(dòng)過程是受控的 受控的表現(xiàn)是受控的表現(xiàn)是: 流動(dòng)方向流動(dòng)方向 流動(dòng)時(shí)機(jī)流動(dòng)時(shí)機(jī) 流動(dòng)時(shí)間流動(dòng)時(shí)間 控制過程的實(shí)現(xiàn)控制過程的實(shí)現(xiàn): 電子開關(guān)器件電子開關(guān)器件這從指令執(zhí)行的角度這從指令執(zhí)行的角度, 指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程: 取指階段取指階段(取指取指)指令分析階段指令分析階段(譯碼譯碼)指令執(zhí)行階段指令執(zhí)行階段(執(zhí)行執(zhí)行)程序下一條指令程序下一條指令(可包含取操作數(shù)、運(yùn)算、可包含取操作

13、數(shù)、運(yùn)算、存結(jié)果、設(shè)置標(biāo)志位等存結(jié)果、設(shè)置標(biāo)志位等)l l 每一步操作都需要相應(yīng)控制信號(hào)每一步操作都需要相應(yīng)控制信號(hào), 也需要相也需要相應(yīng)的時(shí)序信號(hào)來控制操作的時(shí)間應(yīng)的時(shí)序信號(hào)來控制操作的時(shí)間;l l 上述的控制信號(hào)上述的控制信號(hào)(命令命令)即稱為微命令即稱為微命令;l l 因此因此需要有需要有控制邏輯電路控制邏輯電路和時(shí)序電路來產(chǎn)和時(shí)序電路來產(chǎn)生微命令和時(shí)序信號(hào)生微命令和時(shí)序信號(hào);l l 該該控制邏輯電路和時(shí)序電路即為控制器的控制邏輯電路和時(shí)序電路即為控制器的核心。核心。程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 指令寄存器指令寄存器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)序產(chǎn)生器操作控制器操作控制器指令譯碼器指令譯碼器 根據(jù)以上描述根據(jù)以

14、上描述, 控制器應(yīng)由以下部件構(gòu)成控制器應(yīng)由以下部件構(gòu)成:跟蹤指令地址跟蹤指令地址, 取指令控制取指令控制存放取出的指令存放取出的指令識(shí)別指令功能識(shí)別指令功能產(chǎn)生微操作信號(hào)序列產(chǎn)生微操作信號(hào)序列, 控制信息的流動(dòng)過程控制信息的流動(dòng)過程控制器的構(gòu)成框圖控制器的構(gòu)成框圖: 微操作信號(hào)序列形成部件微操作信號(hào)序列形成部件.微操作命令微操作命令時(shí)序信號(hào)及控制時(shí)序信號(hào)及控制指令譯碼器指令譯碼器啟?？刂茊⑼？刂浦噶罴拇嫫髦噶罴拇嫫髅}沖源脈沖源程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器總線控制邏輯總線控制邏輯.總線輸出總線輸出自自運(yùn)運(yùn)算算器器自自存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器自自外外設(shè)設(shè)4、時(shí)序系統(tǒng)、時(shí)序系統(tǒng)l l 功能功能: 控制操作時(shí)間和操作時(shí)刻

15、?？刂撇僮鲿r(shí)間和操作時(shí)刻。時(shí)序信號(hào)時(shí)序信號(hào)是產(chǎn)生微命令的依據(jù)之一。是產(chǎn)生微命令的依據(jù)之一。l l 時(shí)序時(shí)序: 即時(shí)間控制電路即時(shí)間控制電路, 也稱為時(shí)序系統(tǒng)。也稱為時(shí)序系統(tǒng)。功能完成的時(shí)間、時(shí)刻的控制功能完成的時(shí)間、時(shí)刻的控制l l 時(shí)鐘振蕩器提供基本的時(shí)序源時(shí)鐘振蕩器提供基本的時(shí)序源如下圖所示如下圖所示:振蕩器振蕩器時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖工作脈沖工作脈沖時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期(節(jié)拍節(jié)拍)產(chǎn)生電位型微命令產(chǎn)生電位型微命令, 控控制操作時(shí)間段制操作時(shí)間段(時(shí)間控制時(shí)間控制)產(chǎn)生脈沖型微命令，控產(chǎn)生脈沖型微命令，控制定時(shí)操作制定時(shí)操作(時(shí)機(jī)控制時(shí)機(jī)控制)分頻器分頻器啟停控制邏啟?？刂七壿嬢? (產(chǎn)生穩(wěn)定產(chǎn)生穩(wěn)

16、定脈沖脈沖, ,生成生成RESET信號(hào)信號(hào)) )取指令取指令指令譯碼指令譯碼執(zhí)行執(zhí)行一個(gè)節(jié)拍一個(gè)節(jié)拍T1 T2T4T3執(zhí)行階段的執(zhí)行階段的時(shí)間長度時(shí)間長度.操作的時(shí)機(jī)操作的時(shí)機(jī)時(shí)序控制例時(shí)序控制例:5、CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu) CPU內(nèi)部由許多部件構(gòu)成內(nèi)部由許多部件構(gòu)成, 如運(yùn)算器、微命令發(fā)如運(yùn)算器、微命令發(fā)生器、各種寄存器、時(shí)序控制邏輯等。生器、各種寄存器、時(shí)序控制邏輯等。就數(shù)據(jù)信息的傳送就數(shù)據(jù)信息的傳送, 需要為數(shù)據(jù)的傳送提供傳送需要為數(shù)據(jù)的傳送提供傳送的通路的通路(即通信線路即通信線路)。完成如完成如: 寄存器中的數(shù)據(jù)怎樣送往寄存器中的數(shù)據(jù)怎樣送往ALU; ALU的

17、結(jié)果怎樣送往寄存器的結(jié)果怎樣送往寄存器; 寄存器之間的數(shù)據(jù)怎樣傳送等功能。寄存器之間的數(shù)據(jù)怎樣傳送等功能。不同功能、性能的處理器不同功能、性能的處理器, 其數(shù)據(jù)通路是不同的。其數(shù)據(jù)通路是不同的。問題問題: 如何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路？如何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路？典型的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)典型的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu):l l 單總線通路單總線通路 設(shè)置一組數(shù)據(jù)通信總線設(shè)置一組數(shù)據(jù)通信總線, 數(shù)據(jù)傳送均通過數(shù)據(jù)傳送均通過該總線進(jìn)行該總線進(jìn)行; 結(jié)構(gòu)簡單、但不能實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)并發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、但不能實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)并發(fā);l l 多總線通路多總線通路 設(shè)置多組數(shù)據(jù)通信總線設(shè)置多組數(shù)據(jù)通信總線, 可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)在不同的通路上傳送在不同的

18、通路上傳送; 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、但能實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)并行傳送結(jié)構(gòu)復(fù)雜、但能實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)并行傳送;不同結(jié)構(gòu)即是在不同結(jié)構(gòu)即是在復(fù)雜性復(fù)雜性與與性能性能之間的選擇。之間的選擇。(1) 單組內(nèi)總線、分立的寄存器結(jié)構(gòu)單組內(nèi)總線、分立的寄存器結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): l l 各寄存器有自己獨(dú)立的輸入口各寄存器有自己獨(dú)立的輸入口和輸出口和輸出口; l l 數(shù)據(jù)總線為單向數(shù)據(jù)總線為單向, 運(yùn)算器運(yùn)算器ALU只只能通過移位器向總線發(fā)送數(shù)據(jù)能通過移位器向總線發(fā)送數(shù)據(jù), 而不能直接從總線接收數(shù)據(jù)而不能直接從總線接收數(shù)據(jù); l l 寄存器可接收總線上的數(shù)據(jù)寄存器可接收總線上的數(shù)據(jù), 但但不能直接向總線發(fā)送數(shù)據(jù)不能直接向總線發(fā)送數(shù)

19、據(jù); 移位器移位器ALU選擇器選擇器AR0 . Rn選擇器選擇器BR0 . Rn R0 R1 Rn. l l ALU通過選擇器接通過選擇器接收寄存器的數(shù)據(jù)。收寄存器的數(shù)據(jù)。 根據(jù)上述特點(diǎn)根據(jù)上述特點(diǎn), 以下數(shù)據(jù)傳送功能的完成以下數(shù)據(jù)傳送功能的完成: 寄存器寄存器 運(yùn)算器運(yùn)算器 寄存器寄存器 選擇器選擇器 運(yùn)算器運(yùn)算器 運(yùn)算器運(yùn)算器 寄存器寄存器 運(yùn)算器運(yùn)算器 移位器移位器 寄存器寄存器(由選擇控制信號(hào)由選擇控制信號(hào))(由移位控制信號(hào)由移位控制信號(hào)) 寄存器寄存器 寄存器寄存器 寄存器寄存器 ALU 移位器移位器 寄存器寄存器這是一種以這是一種以ALU為中心的單總線結(jié)構(gòu)為中心的單總線結(jié)構(gòu) 需要的

20、主要控制信號(hào)需要的主要控制信號(hào) l l 寄存器開門信號(hào)寄存器開門信號(hào) l l 移位控制信號(hào)移位控制信號(hào) l l 寄存器打入脈沖寄存器打入脈沖(2) 單組內(nèi)總線、集成寄存器結(jié)構(gòu)單組內(nèi)總線、集成寄存器結(jié)構(gòu) l l 與第一種方式的主要區(qū)別在于寄存器的結(jié)構(gòu)。與第一種方式的主要區(qū)別在于寄存器的結(jié)構(gòu)。l l CPU內(nèi)部集成小型的存儲(chǔ)器內(nèi)部集成小型的存儲(chǔ)器, 存儲(chǔ)器的每一存儲(chǔ)器的每一個(gè)單元作為一個(gè)寄存器使用個(gè)單元作為一個(gè)寄存器使用(稱為寄存器組稱為寄存器組)。l l 一組雙向數(shù)據(jù)總線連接一組雙向數(shù)據(jù)總線連接ALU和寄存器組。和寄存器組。l l 暫存器取代了暫存器取代了(獨(dú)立寄存器結(jié)構(gòu)中的獨(dú)立寄存器結(jié)構(gòu)中的)

21、選擇器選擇器 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖: 移位器移位器ALU暫存器暫存器C暫存器暫存器D R0 R1 Rn.內(nèi)總線內(nèi)總線主要特點(diǎn)主要特點(diǎn): l l 數(shù)據(jù)總線為雙向數(shù)據(jù)總線為雙向, 運(yùn)算器運(yùn)算器ALU既能向總線發(fā)送數(shù)既能向總線發(fā)送數(shù)據(jù)據(jù), 也能直接從總線接收數(shù)據(jù)也能直接從總線接收數(shù)據(jù)(由暫存器接收由暫存器接收); l l 各寄存器可從總線接收和向總線發(fā)送數(shù)據(jù)各寄存器可從總線接收和向總線發(fā)送數(shù)據(jù); 完成完成 R0 + R1 R2 , 步驟如下步驟如下: R0 內(nèi)總線內(nèi)總線 暫存器暫存器C R1 內(nèi)總線內(nèi)總線 暫存器暫存器D 執(zhí)行加法執(zhí)行加法 結(jié)果經(jīng)移位器結(jié)果經(jīng)移位器(直送直送) 內(nèi)總線內(nèi)總線 內(nèi)總線內(nèi)總線 R

22、2(3) 多組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)多組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)CPU內(nèi)部設(shè)置多組總線內(nèi)部設(shè)置多組總線, 用于傳輸不同類別的用于傳輸不同類別的信息信息(地址信息、數(shù)據(jù)信息、指令信息等分別地址信息、數(shù)據(jù)信息、指令信息等分別用不同的總線傳送用不同的總線傳送)。如如 Pentium處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu):8K指令指令Cache指令預(yù)指令預(yù)取部件取部件指令譯碼器指令譯碼器 微指令微指令 ROM分支預(yù)分支預(yù)測部件測部件控制部件控制部件U流水線流水線V流水線流水線U流水線地址生成邏輯流水線地址生成邏輯V流水線地址生成邏輯流水線地址生成邏輯 雙端口數(shù)據(jù)雙端口數(shù)據(jù)Cache浮點(diǎn)處理浮點(diǎn)處理部件部件FPU總線接口部件總線接口部

23、件32位內(nèi)部地址總線位內(nèi)部地址總線64位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線3.2 時(shí)序控制方法時(shí)序控制方法“時(shí)序控制方法時(shí)序控制方法”的提出的提出:計(jì)算機(jī)由若干不同功能、計(jì)算機(jī)由若干不同功能、不同速度不同速度的部件和的部件和設(shè)備構(gòu)成設(shè)備構(gòu)成, 這些部件之間通信時(shí)這些部件之間通信時(shí), 怎樣才能做怎樣才能做到時(shí)間上同步？到時(shí)間上同步？ 所謂所謂“時(shí)序控制方法時(shí)序控制方法”, 即根據(jù)不同的部件和即根據(jù)不同的部件和設(shè)備設(shè)備, 采用不同的采用不同的時(shí)間同步方式時(shí)間同步方式。也稱為。也稱為操作與操作與時(shí)序信號(hào)之間的關(guān)系時(shí)序信號(hào)之間的關(guān)系。主要的主要的時(shí)序控制方法有時(shí)序控制方法有: l l 同步控制同步控制 l l

24、 異步控制異步控制 l l 上述方式的變形上述方式的變形1、同步控制、同步控制 定義定義: 特點(diǎn)特點(diǎn):l l 有明顯時(shí)序時(shí)間劃分有明顯時(shí)序時(shí)間劃分;l l 時(shí)鐘周期時(shí)間固定時(shí)鐘周期時(shí)間固定;l l 各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受嚴(yán)格同步定時(shí)控制。嚴(yán)格同步定時(shí)控制。各項(xiàng)操作受各項(xiàng)操作受統(tǒng)一時(shí)序統(tǒng)一時(shí)序控制?？刂?。由由CPU或其它設(shè)備提供或其它設(shè)備提供例例: 工作周期工作周期1工作周期工作周期3工作周期工作周期2將數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)總線內(nèi)容打入指內(nèi)容打入指令寄存器令寄存器取數(shù)取數(shù), 打入打入數(shù)據(jù)寄存數(shù)據(jù)寄存器器, 并進(jìn)行并進(jìn)行加法操作加法操作從此處開始從此

25、處開始,執(zhí)行將結(jié)果執(zhí)行將結(jié)果存入存儲(chǔ)單存入存儲(chǔ)單元的操作元的操作認(rèn)定結(jié)果認(rèn)定結(jié)果已存入存已存入存儲(chǔ)單元儲(chǔ)單元執(zhí)行一條加法指令執(zhí)行一條加法指令: Ri + (M)M假設(shè)需要三個(gè)工作周期：假設(shè)需要三個(gè)工作周期： 應(yīng)用場合應(yīng)用場合:用于用于CPU內(nèi)部、設(shè)備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作內(nèi)部、設(shè)備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作l l 時(shí)序關(guān)系簡單時(shí)序關(guān)系簡單, 時(shí)序劃分規(guī)整時(shí)序劃分規(guī)整, 控制不復(fù)雜控制不復(fù)雜;l l 時(shí)間安排不合理時(shí)間安排不合理(缺點(diǎn)缺點(diǎn))。l l 控制邏輯易于集中控制邏輯易于集中, 便于管理。便于管理。 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn): 采用同步控制的一些條件采用同步控制的一些條件 l l 發(fā)送、接收部件發(fā)送、接收部件(或

26、設(shè)備或設(shè)備)傳送時(shí)間確定傳送時(shí)間確定; l l 各部件速度相近各部件速度相近, 傳送距離較近。傳送距離較近。 l l 一次通信時(shí)間不太長一次通信時(shí)間不太長2、異步控制、異步控制各項(xiàng)操作按不同需要安排時(shí)間各項(xiàng)操作按不同需要安排時(shí)間, 不受不受統(tǒng)一時(shí)序控制。統(tǒng)一時(shí)序控制。 定義定義:例例. 異步傳送操作異步傳送操作l l 主設(shè)備主設(shè)備:申請(qǐng)并掌握總線權(quán)的申請(qǐng)并掌握總線權(quán)的設(shè)備。設(shè)備。l l 從設(shè)備從設(shè)備: 響應(yīng)主設(shè)備請(qǐng)求的設(shè)備。響應(yīng)主設(shè)備請(qǐng)求的設(shè)備。 特點(diǎn)特點(diǎn):無統(tǒng)一時(shí)鐘周期劃分無統(tǒng)一時(shí)鐘周期劃分, 各操作間的銜接各操作間的銜接和部件之間的信息交換采用和部件之間的信息交換采用應(yīng)答應(yīng)答方式。方式?？?/p>

27、線總線發(fā)發(fā)/ /接接接接/ /發(fā)發(fā)從從設(shè)設(shè)備備主主設(shè)設(shè)備備l l 操作流程操作流程:主設(shè)備獲得總線控制權(quán)主設(shè)備獲得總線控制權(quán) 主設(shè)備詢問從設(shè)備主設(shè)備詢問從設(shè)備 主設(shè)備發(fā)送主設(shè)備發(fā)送/ /接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù) 主設(shè)備釋放總線控制權(quán)主設(shè)備釋放總線控制權(quán)從設(shè)備準(zhǔn)備好？從設(shè)備準(zhǔn)備好？YN主設(shè)備輸出端與總線連接主設(shè)備輸出端與總線連接主設(shè)備輸出端與總線斷開主設(shè)備輸出端與總線斷開l l 操作流程操作流程:也可以描述為也可以描述為(以讀數(shù)據(jù)為例以讀數(shù)據(jù)為例): (1) 主設(shè)備發(fā)出主設(shè)備發(fā)出RQ請(qǐng)求信號(hào)、請(qǐng)求信號(hào)、地址以及讀命令地址以及讀命令從設(shè)備從設(shè)備(2) (RQ信號(hào)一直保持有效信號(hào)一直保持有效)從設(shè)備收到主設(shè)

28、備命令從設(shè)備收到主設(shè)備命令,將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上,主設(shè)備主設(shè)備發(fā)出應(yīng)答信號(hào)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)ACK(3) 主設(shè)備收到主設(shè)備收到ACK后后, 采樣數(shù)據(jù)總線采樣數(shù)據(jù)總線(讀數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù))將將RQ信號(hào)變?yōu)闊o效信號(hào)變?yōu)闊o效(4) 從設(shè)備檢測到從設(shè)備檢測到RQ信號(hào)無效信號(hào)無效, 停止驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)停止驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線總線, 將將ACK變?yōu)闊o效變?yōu)闊o效從時(shí)序上看從時(shí)序上看:RQData時(shí)延時(shí)延ACK主設(shè)備檢測到主設(shè)備檢測到ACK, 采樣數(shù)據(jù)總線采樣數(shù)據(jù)總線地址地址/讀命令讀命令主設(shè)備將主設(shè)備將RQ變?yōu)闊o效變?yōu)闊o效從設(shè)備停止驅(qū)從設(shè)備停止驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線動(dòng)數(shù)據(jù)總線將將ACK變?yōu)闊o效變?yōu)闊o效主主設(shè)設(shè)備備從從設(shè)設(shè)備備l l 時(shí)間安排緊湊、合理時(shí)間安排緊湊、合理;l l 控制復(fù)雜?？刂茝?fù)雜。 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn): 應(yīng)用場合應(yīng)用場合:用于異步總線操作用于異步總線操作(各掛接部件速度差異大、各掛接部件速度差異大、傳送時(shí)間不確定、傳送距離較遠(yuǎn)等傳送時(shí)間不確定、傳送距離較遠(yuǎn)等)。(3) 同步方式的變化同步方式的變化指令周期長度可變指令周期長度可變, 時(shí)鐘周期長度不變。時(shí)鐘周期長度不變?？捎糜?jì)數(shù)器指示時(shí)鐘周期數(shù)的變化?？捎糜?jì)數(shù)器指示時(shí)鐘周期數(shù)的變化。 不同指令安排不同時(shí)鐘周期數(shù)不同指令安排不同時(shí)鐘周期數(shù)既有一套時(shí)序系統(tǒng)既有一套時(shí)序系