計算機組成原理第八章 CPU結構與功能

1、8.1 CPU 概述概述8.2 控制器單元控制器單元CU8.3 多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng)8.4 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)一、一、 CPU CPU 功能功能取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結果的輸出控制程序輸入及結果的輸出總線管理總線管理處理異常情況和特殊請求處理異常情況和特殊請求1. 1. 控制器功能控制器功能2. 2. 運算器功能運算器功能實現(xiàn)算術運算和邏輯運算實現(xiàn)算術運算和邏輯運算 處理中斷處理中斷二、二、CPU 結構結構PC IR指令控制指令控制操作控制操作控制時間控制時間控制數(shù)據加工數(shù)據加工處理中斷處理中斷ALU 寄存器寄存器中斷系

2、統(tǒng)中斷系統(tǒng)CU 時序電路時序電路寄存器寄存器ALU 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)CUCPU控制總線控制總線數(shù)據總線數(shù)據總線地址總線地址總線1. 用戶可見寄存器用戶可見寄存器 (1) 通用寄存器通用寄存器三、三、 CPU 寄存器寄存器存放操作數(shù)，地址存放操作數(shù)，地址可作可作 某種尋址方式所需的某種尋址方式所需的 專用寄存器專用寄存器 (2) 數(shù)據寄存器數(shù)據寄存器存放操作數(shù)存放操作數(shù)（滿足各種數(shù)據類型）（滿足各種數(shù)據類型） (3) 地址寄存器地址寄存器存放地址存放地址，其位數(shù)應滿足最大的地址范圍，其位數(shù)應滿足最大的地址范圍段基值段基值 棧指針棧指針 (4) 條件寄存器條件寄存器存放條件碼存放條件碼，可作程序

3、分支的依據，可作程序分支的依據如如 正、負、零、溢出、進位等正、負、零、溢出、進位等2. 控制寄存器控制寄存器 MAR, MDR, PC, IRPC控制控制 CPU 操作操作 MAR、MDR、IR 用戶不可見用戶不可見 PC 用戶可見用戶可見 MARMMDRIR指令寄存器指令寄存器控制單元控制單元 CU時鐘時鐘標志標志CPU 內部的控制信號內部的控制信號到系統(tǒng)總線的控制信號到系統(tǒng)總線的控制信號來自系統(tǒng)總線的控制信號來自系統(tǒng)總線的控制信號系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 8.2 控制單元控制單元 CU一、控制器結構一、控制器結構1. 輸入信號輸入信號(1) 時鐘時鐘(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外來信號外

4、來信號(3) 標志標志CU 受時鐘控制受時鐘控制控制信號控制信號 與操作碼有關與操作碼有關OP ( IR ) CUCU 受標志控制受標志控制INTR 中斷請求中斷請求HRQ 總線請求總線請求如如2. 輸出信號輸出信號(1) CPU 內的各種控制信號內的各種控制信號(2) 送至控制總線的信號送至控制總線的信號Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA訪存控制信號訪存控制信號訪訪 IO/ 存儲器的控制信號存儲器的控制信號讀命令讀命令寫命令寫命令中斷響應信號中斷響應信號總線響應信號總線響應信號MREQIO/MRDWRALU 、與、或、與、或 二、指令工作周期二、指令工作周期 取指周期取指周期間

5、址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期控制單元具有發(fā)出各種控制單元具有發(fā)出各種微操作命令序列微操作命令序列的功能。的功能。 （1）指令的指令周期不同）指令的指令周期不同取指周期取指周期指令周期指令周期取指周期取指周期 執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期NOPJMP XADD mem MUL mem取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期（2）具有間接尋址的指令周期）具有間接尋址的指令周期（3）帶有中斷周期的指令周期）帶有中斷周期的指令周期取指周期取指周期間址周期間址周期指令周期指令周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期取指周期取指周期間址周期間址周期指令周期指令周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期

6、（4）指令周期流程）指令周期流程取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期有間址嗎？有間址嗎？有中斷嗎？有中斷嗎？間址周期間址周期中斷周期中斷周期是是是是否否否否 1、取指周期、取指周期PC MAR 地址線地址線1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存儲器存儲器CPU地址總線地址總線數(shù)據總線數(shù)據總線控制總線控制總線OP（IR） CU 2、間址、間址 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據總線數(shù)據總線控制總線控制總線IR存

7、儲器存儲器 PC 3、執(zhí)行周期、執(zhí)行周期 (1) 非訪存指令非訪存指令例：例：CLA 清清A0 ACC (2) 訪存指令訪存指令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC ADD X例：加法指令例：加法指令4、中斷周期、中斷周期程序斷點程序斷點 進棧進棧向量地址向量地址 PC0 EINT（置（置“0”）向量地址向量地址 PCMDR M ( MAR ) PC MDR1 W 中斷識別程序入口地址中斷識別程序入口地址 M PC ( SP ) 1 MAR三、控制信號工作過程三、控制信號工作過程PCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標志標志控控制制信信號號C

8、0C1C2C3C4取指周期取指周期 ADD XPCIRCU1. 不采用不采用 CPU 內部總線的方式內部總線的方式PCPCPC M D R M A R M D R M A RPCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 M D R M A RC1C2C3C5ADD X 間址周期間址周期IR M D R M D R M A RPCIRACCU時鐘時鐘ALU控制信號控制信號標志標志控制控制信號信號 M D R M A RC1C2C5ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期C7C6C8ACALU控制控制信號信號 M D R M A R M D RMDRMDRCU(1) ADD X 取指

9、周期取指周期 PC CU 發(fā)讀命令發(fā)讀命令 1 R MDR OP（IR） （PC）+ 1 PCIRPCMARAC YALUZ控制信號控制信號IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 數(shù)據線數(shù)據線數(shù)據線數(shù)據線控制信號控制信號CPU 內內 部部 總總 線線時鐘時鐘2. 采用采用 CPU 內部總線方式內部總線方式地址線地址線地址線地址線MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(2) ADD X 間址周期間址周期 MDR 1 R MDR有效地址有效地址 Ad（IR）MDROMDRO 數(shù)據線數(shù)據線數(shù)據線數(shù)據線時鐘時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號控

10、制信號控制信號控制信號CPU 內內 部部 總總 線線MDRIRMARi MARi地址線地址線地址線地址線MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR CU時鐘時鐘CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號控制信號CPU 內內 部部 總總 線線MDROMDRO(3) ADD X 執(zhí)行周期執(zhí)行周期 1 R MDR Z AC（AC）+（Y） MDR控制信號控制信號MARMDR地址線地址線 地址線地址線 數(shù)據線數(shù)據線數(shù)據線數(shù)據線MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi YALUACA

11、COACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUACCU 四、控制單元四、控制單元 CU設計設計 1. CU產生全部指令的微操作命令序列產生全部指令的微操作命令序列組合邏輯設計組合邏輯設計微程序設計微程序設計硬連線邏輯硬連線邏輯存儲邏輯存儲邏輯 8.3 多級指令時序系統(tǒng)多級指令時序系統(tǒng) 1、指令周期、指令周期取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間完成一條指令完成一條指令執(zhí)行執(zhí)行取指、分析取指、分析取指階段取指階段取指周期取指周期執(zhí)行階段執(zhí)行階段執(zhí)行周期執(zhí)行周期（取指、分析）（取指、分析）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行

12、指令）指令周期指令周期取指周期取指周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期 2、機器周期、機器周期(1) 機器周期的概念機器周期的概念(2) 確定機器周期需考慮的因素確定機器周期需考慮的因素(3) 基準時間的確定基準時間的確定所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間每條指令的執(zhí)行每條指令的執(zhí)行 步驟步驟每一步驟每一步驟 所需的所需的 時間時間 以完成以完成 最復雜最復雜 指令功能的時間指令功能的時間 為準為準 以以 訪問一次存儲器訪問一次存儲器 的時間的時間 為基準為基準若指令字長若指令字長 = 存儲字長存儲字長取指周期取指周期 = 機器周期機器周期 3、時鐘周期（節(jié)拍、狀態(tài)）、時鐘周期（

13、節(jié)拍、狀態(tài)） 一個機器周期內可完成若干個微操作每個微操作需一定的時間每個微操作需一定的時間時鐘周期是控制計算機操作的最小單位時間時鐘周期是控制計算機操作的最小單位時間將一個機器周期分成若干個時間相等的將一個機器周期分成若干個時間相等的時間段（時間段（節(jié)拍、狀態(tài)、時鐘周期節(jié)拍、狀態(tài)、時鐘周期）用時鐘周期控制產生一個或幾個微操作命令用時鐘周期控制產生一個或幾個微操作命令CLKT0T1T2T3機器周期機器周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T34. 多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng) 5. 機器速度與機器主頻的關系機器速度與機器主頻的關系例例9.3 設某計算機的設某計算機的CPU主頻為主頻為8MH

14、z,每個機器每個機器周期平均含周期平均含2個時鐘周期，每條指令的指令周期個時鐘周期，每條指令的指令周期平均有平均有2.5個機器周期，試問該機的平均指令執(zhí)行個機器周期，試問該機的平均指令執(zhí)行速度為多少速度為多少MIPS？若主頻不變，每個機器周期平均含若主頻不變，每個機器周期平均含4個時鐘周期，個時鐘周期，每條指令的指令周期平均含有每條指令的指令周期平均含有5個機器周期，則個機器周期，則該機的平均指令執(zhí)行速度又是多少該機的平均指令執(zhí)行速度又是多少MIPS，由此可，由此可以得出什么結論？以得出什么結論？產生不同微操作命令序列所用的時序控制方式產生不同微操作命令序列所用的時序控制方式任一微操作均由任一

15、微操作均由 統(tǒng)一基準時標統(tǒng)一基準時標 的時序信號控制的時序信號控制(2) 采用不定長的機器周期采用不定長的機器周期機器周期機器周期機器周期機器周期（取指令）（取指令）（執(zhí)行指令）（執(zhí)行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延長延長機器周期內機器周期內 節(jié)拍數(shù)不等節(jié)拍數(shù)不等(3) 采用中央控制和局部控制相結合的方法采用中央控制和局部控制相結合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍 T3T0T1中央控制節(jié)拍中央控制節(jié)拍機器周期機器周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期指令周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控制的節(jié)拍寬度與局部控制的節(jié)拍寬度與中央控制的節(jié)拍寬度一致中央控制的節(jié)拍寬

16、度一致T*T*T*局部控制節(jié)拍局部控制節(jié)拍2. 異步控制方式異步控制方式無基準時標信號無基準時標信號無固定的周期節(jié)拍和嚴格的時鐘同步無固定的周期節(jié)拍和嚴格的時鐘同步采用采用 應答方式應答方式一、概述一、概述1. 引起中斷的各種因素引起中斷的各種因素(1) 人為設置的中斷人為設置的中斷(2) 程序性事故程序性事故如如 轉管指令轉管指令溢出、操作碼不能識別、除法非法溢出、操作碼不能識別、除法非法(5) 外部事件外部事件(4) I/O 設備設備(3) 硬件故障硬件故障用用 鍵盤中斷鍵盤中斷 現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序轉管指令轉管指令管理程序管理程序 二、中斷工作過程二、中斷工作過程 1. 中斷請求中斷請求 多

17、個多個INTR 組成組成 中斷請求標記寄存器中斷請求標記寄存器12345n掉電掉電過熱過熱階上溢階上溢主存讀寫校驗錯主存讀寫校驗錯非法除法非法除法鍵盤輸入鍵盤輸入打印機輸出打印機輸出 2. 中斷判優(yōu)中斷判優(yōu) 分散分散 在各個中斷源的在各個中斷源的 接口電路中接口電路中 鏈式排隊器鏈式排隊器 集中集中 在在 CPU 內內 (1) 硬件實現(xiàn)（排隊器）硬件實現(xiàn)（排隊器） (2) 軟件實現(xiàn)（程序查詢）軟件實現(xiàn)（程序查詢）3. 中斷響應中斷響應 中斷響應條件中斷響應條件中斷隱指令中斷隱指令 4、中斷服務、中斷服務硬件向量法硬件向量法入口地址入口地址 200入口地址入口地址 300入口地址入口地址 400

18、12 H13 H14 H主存主存向量地址向量地址形成部件形成部件中斷向量中斷向量排隊器輸出排隊器輸出向量地址向量地址 12H、13H、14H入口地址入口地址 200、 300、 400 5、中斷返回、中斷返回 IRET中斷程序中斷程序1 .中斷程序中斷程序2200300主存主存400中斷程序中斷程序31. 多重中斷概念多重中斷概念klmk +1l +1m +1第一次第一次 中斷中斷第二次第二次 中斷中斷第三次第三次 中斷中斷程序斷點程序斷點 k+1 , l+1 , m+1三、中斷屏蔽技術三、中斷屏蔽技術 2. 實現(xiàn)多重中斷條件實現(xiàn)多重中斷條件B、CA中斷中斷請求請求主程序主程序(2) 優(yōu)先級別

19、高優(yōu)先級別高 的中斷源的中斷源 有權中斷優(yōu)先級別低有權中斷優(yōu)先級別低 的中斷源的中斷源(1) 提前提前 設置設置 開中斷開中斷 指令指令ABCD中斷服務程序中斷服務程序（ A、B、 C、 D 優(yōu)先級按優(yōu)先級按 降序降序 排列）排列）D 3. 屏蔽技術屏蔽技術(2) 屏蔽字屏蔽字優(yōu)先級優(yōu)先級屏屏 蔽蔽 字字 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11234561516 屏蔽技術可改變處理優(yōu)先等級屏蔽技術可改變處理優(yōu)先等級響應優(yōu)先級響應優(yōu)先級響應優(yōu)先級響應優(yōu)先級 ABCD 降序排列降序排列 不可改變不可改變處理優(yōu)先級處理優(yōu)先級可改變（通過重新設置屏蔽字）可改變（通過重