計(jì)算機(jī)組成原理31

1、第3章 CPU子系統(tǒng)2SCS-SWPU CPU的主要功能是什么？ 執(zhí)行指令，控制全機(jī)的各項(xiàng)操作，如：運(yùn)算、傳送、執(zhí)行指令，控制全機(jī)的各項(xiàng)操作，如：運(yùn)算、傳送、I/O 需要解決的問題 CPU由哪些部件組成由哪些部件組成 各部件之間如何交換信息各部件之間如何交換信息 CPU如何與外部連接如何與外部連接 CPU如何根據(jù)指令形成微命令，控制各部件的執(zhí)行？如何根據(jù)指令形成微命令，控制各部件的執(zhí)行？邏輯組成邏輯組成工作機(jī)制工作機(jī)制第三章 CPU子系統(tǒng)SCS-SWPU第三章 CPU子系統(tǒng)概概 述述3.1指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)3.2運(yùn)算部件運(yùn)算部件3.3組合邏輯控制方式組合邏輯控制方式3.4微程序控制方式微程序控制

2、方式3.53.6CPU的基本模型的基本模型重點(diǎn)難點(diǎn)3.43.7CPU性能的提升技術(shù)性能的提升技術(shù)3.1 概述3.1.1 CPU的基本組成3.1.3 CPU的指令類型3.1.4 CPU的發(fā)展歷程3.1.2 CPU的工作原理5SCS-SWPUv中央處理器（中央處理器（CPU, Central Processing UnitCPU, Central Processing Unit） 計(jì)算機(jī)的核心部分計(jì)算機(jī)的核心部分 運(yùn)算部件（運(yùn)算部件（ALU） 寄存器組寄存器組 微命令產(chǎn)生部件微命令產(chǎn)生部件 時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序系統(tǒng) CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路內(nèi)部數(shù)據(jù)通路 在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中還要包括在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中還要包括cache。3

3、.1.1 CPU的基本組成組成組成6SCS-SWPU1、運(yùn)算部件、運(yùn)算部件 功能：功能：完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算如何獲取操作數(shù)？如何獲取操作數(shù)？怎樣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算操作？怎樣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算操作？如何送出運(yùn)算結(jié)果？如何送出運(yùn)算結(jié)果？ 3.1.1 CPU的基本組成 組成：組成：（1）輸入邏輯（如）輸入邏輯（如：選擇器、暫存器：選擇器、暫存器）（2）算術(shù)、邏輯運(yùn)算部件）算術(shù)、邏輯運(yùn)算部件ALU（如：加法器）（如：加法器）（3）輸出邏輯（如移位門）輸出邏輯（如移位門） 7SCS-SWPU運(yùn)算運(yùn)算部件的設(shè)置情況部件的設(shè)置情況設(shè)置一個(gè)設(shè)置一個(gè)ALU；設(shè)置一個(gè)設(shè)置一個(gè)ALU，且，且配合時(shí)序

4、配合時(shí)序控制，完成乘除運(yùn)算；控制，完成乘除運(yùn)算；設(shè)置一個(gè)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；，且將定點(diǎn)乘除部件和浮點(diǎn)部件作為基本配置；設(shè)置多個(gè)設(shè)置多個(gè)運(yùn)算部件。運(yùn)算部件。3.1.1 CPU的基本組成8SCS-SWPU2、寄存器組、寄存器組( (1) 1) 通用寄存器組通用寄存器組 GRGRl多個(gè)寄存器組成，可存放操作數(shù)多個(gè)寄存器組成，可存放操作數(shù)或地址信息或地址信息。l使用時(shí)對(duì)寄存器進(jìn)行編號(hào)，按寄存器號(hào)進(jìn)行訪問。使用時(shí)對(duì)寄存器進(jìn)行編號(hào)，按寄存器號(hào)進(jìn)行訪問。l功能通用、位數(shù)（字長(zhǎng)）、構(gòu)成、可編程功能通用、位數(shù)（字長(zhǎng)）、構(gòu)成、可編程等等(2) (2) 暫存器暫存器l用于暫存某些

5、中間過(guò)程所產(chǎn)生的信息用于暫存某些中間過(guò)程所產(chǎn)生的信息l不可被不可被CPU直接編程訪問直接編程訪問l 暫存器的使用對(duì)用戶是透明的暫存器的使用對(duì)用戶是透明的 3.1.1 CPU的基本組成存存放放數(shù)數(shù)據(jù)據(jù), ,提提供供CPUCPU的的處處理理對(duì)對(duì)象象9SCS-SWPU2、寄存器組、寄存器組( (3) 3) 指令寄存器指令寄存器IRIRl保存當(dāng)前保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令正在執(zhí)行的指令。l指令寄存器中操作碼字段輸出作為指令譯碼器的輸入，指令寄存器中操作碼字段輸出作為指令譯碼器的輸入，經(jīng)譯碼轉(zhuǎn)換為具體操作信號(hào)。經(jīng)譯碼轉(zhuǎn)換為具體操作信號(hào)。l指令指令隊(duì)列（或稱指令棧），允許取若干條指令隊(duì)列（或稱指令棧），允許取

6、若干條指令 3.1.1 CPU的基本組成MDRIROP2 A1 A2主存主存OP1 A1 A2OP1 A1 A2OP1 A1 A2OP2 A1 A2.指令隊(duì)列指令隊(duì)列10SCS-SWPU(4) (4) 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 PC PC l指示指令在內(nèi)存的存放位置（或地址），指示指令在內(nèi)存的存放位置（或地址），又稱為指令計(jì)又稱為指令計(jì)數(shù)器或指令指針數(shù)器或指令指針lPC 是具有計(jì)數(shù)功能的寄存器。是具有計(jì)數(shù)功能的寄存器。 順序執(zhí)行：順序執(zhí)行： （PC）+ n = PC 跳轉(zhuǎn)執(zhí)行：跳轉(zhuǎn)執(zhí)行： 轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移地址 = PC3.1.1 CPU的基本組成1000H1001HOP1A1A2A3PCPC+1100

7、4H1002H1002H2、寄存器組、寄存器組11SCS-SWPU(5) (5) 程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器 PSWPSWl程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器(PSW)，記錄程序的運(yùn)行狀態(tài)、指示程序的，記錄程序的運(yùn)行狀態(tài)、指示程序的工作工作方式。方式。PSW包括兩部分：特征位和包括兩部分：特征位和編程設(shè)定位編程設(shè)定位特征位（標(biāo)志位、條件碼）：如特征位（標(biāo)志位、條件碼）：如進(jìn)位標(biāo)志（進(jìn)位標(biāo)志（C） ，溢出標(biāo)志，溢出標(biāo)志（V） ，結(jié)果為零標(biāo)志（，結(jié)果為零標(biāo)志（Z） ，負(fù)標(biāo)志（，負(fù)標(biāo)志（N），奇偶位（），奇偶位（p）等。這些標(biāo)志分別由等。這些標(biāo)志分別由1位觸發(fā)器位觸發(fā)器保存保存 編程設(shè)定位：如跟

8、蹤位編程設(shè)定位：如跟蹤位T、允許中斷位、允許中斷位I和工作方式字段和工作方式字段3.1.1 CPU的基本組成 工作方式工作方式 優(yōu)先級(jí)優(yōu)先級(jí) T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 02、寄存器組、寄存器組12SCS-SWPUC=1 進(jìn)位進(jìn)位 V=1 溢出溢出Z=1 結(jié)果為結(jié)果為0N=1 結(jié)果為負(fù)結(jié)果為負(fù)T=1, 執(zhí)行跟蹤程序執(zhí)行跟蹤程序（1 1）條件碼）條件碼反映程序運(yùn)行結(jié)果反映程序運(yùn)行結(jié)果（2 2）跟蹤標(biāo)志）跟蹤標(biāo)志為查錯(cuò)設(shè)置的斷點(diǎn)標(biāo)志為查錯(cuò)設(shè)置的斷點(diǎn)標(biāo)志T程序程序初始化置初始化置T T為為1 1.測(cè)試測(cè)試T T跟蹤程序跟蹤程序. 工作方式工作

9、方式 優(yōu)先級(jí)優(yōu)先級(jí) T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 03.1.1 CPU的基本組成13SCS-SWPU程序優(yōu)先級(jí)高于外部?jī)?yōu)先級(jí)，不響應(yīng)程序優(yōu)先級(jí)高于外部?jī)?yōu)先級(jí)，不響應(yīng)程序優(yōu)先級(jí)低于外部?jī)?yōu)先級(jí)，可響應(yīng)程序優(yōu)先級(jí)低于外部?jī)?yōu)先級(jí)，可響應(yīng)用戶方式：用戶方式：禁止使用某些特權(quán)指令禁止使用某些特權(quán)指令核心方式：核心方式：允許使用某些特權(quán)指令允許使用某些特權(quán)指令（3 3）允許中斷位）允許中斷位I I或優(yōu)先級(jí)或優(yōu)先級(jí)字段字段為現(xiàn)行程序賦予為現(xiàn)行程序賦予優(yōu)先級(jí)優(yōu)先級(jí)別，以決定是否響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求。別，以決定是否響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求。（4 4）工作方式）工作方式規(guī)

10、定程序的規(guī)定程序的特權(quán)級(jí)特權(quán)級(jí)。PSW在在CPU中，反中，反映程序運(yùn)行狀態(tài)映程序運(yùn)行狀態(tài)3.1.1 CPU的基本組成PSW不同計(jì)算機(jī)在設(shè)置上可能差別較大！ 工作方式工作方式 優(yōu)先級(jí)優(yōu)先級(jí) T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 014SCS-SWPU(6) (6) 地址寄存器地址寄存器 MAR MAR 用于保存當(dāng)前用于保存當(dāng)前 CPU 所訪問的內(nèi)存單元地址。所訪問的內(nèi)存單元地址。(7) (7) 數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器 MDR MDR 暫存由暫存由CPU與內(nèi)存之間傳送的數(shù)據(jù)信息與內(nèi)存之間傳送的數(shù)據(jù)信息CPU內(nèi)存內(nèi)存MARMDR地址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地

11、址地址數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)主要作用：主要作用：l作為作為CPU與內(nèi)存與內(nèi)存、I/O設(shè)備設(shè)備之間信息傳送的緩沖區(qū)；之間信息傳送的緩沖區(qū)；l補(bǔ)償補(bǔ)償CPU與內(nèi)存、與內(nèi)存、 I/O設(shè)備之間在速度上的差異；設(shè)備之間在速度上的差異；3.1.1 CPU的基本組成2、寄存器組、寄存器組15SCS-SWPU 3、控制器及控制方式、控制器及控制方式 根據(jù)根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種操作控制指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)信號(hào)，完成完成取指取指和和執(zhí)行指令執(zhí)行指令的控制。的控制。 3.1.1 CPU的基本組成組合邏輯控制器組合邏輯控制器控制器的類型微程序控制器微程序控制器微命令由微命令由組合邏輯電路組合邏輯電

12、路產(chǎn)生產(chǎn)生微命令由微命令由微指令譯碼微指令譯碼產(chǎn)生產(chǎn)生16SCS-SWPU4時(shí)序時(shí)序系統(tǒng)系統(tǒng) 時(shí)序時(shí)序信號(hào)的作用：信號(hào)的作用：按一定的時(shí)間序列產(chǎn)生一系列按一定的時(shí)間序列產(chǎn)生一系列脈沖脈沖與與電位信號(hào)電位信號(hào)，控制器根據(jù)電位和定時(shí)脈沖的，控制器根據(jù)電位和定時(shí)脈沖的順序和間隔指揮機(jī)器運(yùn)作。順序和間隔指揮機(jī)器運(yùn)作。 3.1.1 CPU的基本組成多級(jí)時(shí)序的概念 (1)(1)時(shí)鐘脈沖信號(hào)時(shí)鐘脈沖信號(hào) (2)(2)時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期( (節(jié)拍節(jié)拍) ) (3)(3)機(jī)器周期機(jī)器周期 (4) (4)指令周期指令周期 17SCS-SWPU3.1.1 CPU的基本組成4 4、時(shí)序系統(tǒng)、時(shí)序系統(tǒng)l 指令周期：指令周

13、期：取出并執(zhí)行一條指令所需時(shí)間取出并執(zhí)行一條指令所需時(shí)間。 通常一個(gè)指令周期包含通常一個(gè)指令周期包含3-43-4個(gè)機(jī)器周期。如取指令周期個(gè)機(jī)器周期。如取指令周期、取操作數(shù)周期、指令執(zhí)行周期等。、取操作數(shù)周期、指令執(zhí)行周期等。l 機(jī)器周期機(jī)器周期( (又稱又稱CPUCPU周期或工作周期周期或工作周期) )：機(jī)器周期對(duì)應(yīng)指令機(jī)器周期對(duì)應(yīng)指令執(zhí)行的不同階段，如取指令、取操作數(shù)、執(zhí)行等階段。各階執(zhí)行的不同階段，如取指令、取操作數(shù)、執(zhí)行等階段。各階段長(zhǎng)短不一，按最長(zhǎng)的階段來(lái)劃分機(jī)器周期。通常一個(gè)機(jī)器段長(zhǎng)短不一，按最長(zhǎng)的階段來(lái)劃分機(jī)器周期。通常一個(gè)機(jī)器周期包含周期包含4 4個(gè)時(shí)鐘周期個(gè)時(shí)鐘周期 T T1

14、1-T-T4 4。l 時(shí)鐘周期（又稱節(jié)拍或時(shí)鐘周期（又稱節(jié)拍或 T T 周期）：周期）：對(duì)應(yīng)基本定時(shí)信號(hào)，對(duì)應(yīng)基本定時(shí)信號(hào)，由它確定主時(shí)鐘頻率。由它確定主時(shí)鐘頻率。18SCS-SWPU計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理晶振輸出晶振輸出工作周期工作周期1工作周期工作周期2工作周期工作周期3節(jié)拍節(jié)拍T1工作脈沖工作脈沖P節(jié)拍節(jié)拍T2指令周期指令周期控制不同階段操作時(shí)間控制不同階段操作時(shí)間控制分步操作時(shí)間控制分步操作時(shí)間對(duì)微操作定時(shí)對(duì)微操作定時(shí)取指取指執(zhí)行執(zhí)行取數(shù)取數(shù)取出指令取出指令修改修改PCPC打入打入IRIR打入打入PC多級(jí)時(shí)序信號(hào)之間的關(guān)系（時(shí)序關(guān)系）取源操作數(shù)取源操作數(shù)取目的操取目的操作數(shù)作數(shù)1

15、9SCS-SWPU獨(dú)立結(jié)構(gòu)獨(dú)立結(jié)構(gòu)R R小型存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)小型存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)單口單口RAMRAM雙口雙口RAMRAM寄存器組寄存器組u獨(dú)立獨(dú)立R R、雙口、雙口RAMRAM用用多路選擇器多路選擇器作為作為ALUALU的輸入的輸入邏輯；邏輯；u單口單口RAMRAM用用鎖存器鎖存器作為作為ALUALU的輸入邏輯。的輸入邏輯。3.1.1 CPU的基本組成5、CPU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)20SCS-SWPU（1 1）單組內(nèi)總線、分離寄存器結(jié)構(gòu)）單組內(nèi)總線、分離寄存器結(jié)構(gòu)移位器移位器ALU多路選擇器多路選擇器多路選擇器多路選擇器R0RnR0. . . Rn R0. . . Rn 內(nèi)部總線（內(nèi)部總線（單

16、向單向）特點(diǎn)：特點(diǎn)：uR R各自獨(dú)立；各自獨(dú)立；u可同時(shí)向可同時(shí)向ALUALU提供兩個(gè)操作數(shù)；提供兩個(gè)操作數(shù)；u采用單向內(nèi)總線；采用單向內(nèi)總線；u控制簡(jiǎn)單集中控制簡(jiǎn)單集中u但所需元器件和連線增多但所需元器件和連線增多3.1.1 CPU的基本組成21SCS-SWPU計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理（2） 單組內(nèi)總線、集成寄存器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：特點(diǎn)：?jiǎn)慰趩慰赗AMRAM不能同時(shí)向不能同時(shí)向ALUALU 提供兩個(gè)操作數(shù)；提供兩個(gè)操作數(shù)；用鎖存器暫存操作數(shù)；用鎖存器暫存操作數(shù)；采用雙向內(nèi)總線。采用雙向內(nèi)總線。移位器移位器ALU暫存器暫存器D暫存器暫存器C內(nèi)部總線（內(nèi)部總線（雙向雙向）R0Rn通用寄存器組（小型存

17、儲(chǔ)器）通用寄存器組（小型存儲(chǔ)器）3.1.1 CPU的基本組成22SCS-SWPU計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 （3） 多組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)3.1.1 CPU的基本組成3.1 概述3.1.1 CPU的基本組成3.1.3 CPU的指令類型3.1.4 CPU的發(fā)展歷程3.1.2 CPU的工作原理24SCS-SWPU 1 1、CPUCPU的主要功能的主要功能 指令控制：控制程序執(zhí)行順序，如：逐條指令控制：控制程序執(zhí)行順序，如：逐條執(zhí)行或跳轉(zhuǎn)執(zhí)行執(zhí)行或跳轉(zhuǎn)執(zhí)行； 操作控制：產(chǎn)生每條指令所需的控制命令；操作控制：產(chǎn)生每條指令所需的控制命令； 時(shí)間時(shí)間控制：產(chǎn)生操作時(shí)序，按時(shí)間順序啟動(dòng)各類操作控制：產(chǎn)生操作時(shí)序，

18、按時(shí)間順序啟動(dòng)各類操作； 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理處理 中斷處理：對(duì)計(jì)算機(jī)中出現(xiàn)的異常情況和特殊請(qǐng)求進(jìn)行處理中斷處理：對(duì)計(jì)算機(jī)中出現(xiàn)的異常情況和特殊請(qǐng)求進(jìn)行處理CPU工作過(guò)程（工作過(guò)程（4個(gè)階段）：個(gè)階段）： 1）取指令）取指令 2）指令譯碼）指令譯碼 3）指令執(zhí)行）指令執(zhí)行 4）后續(xù)階段）后續(xù)階段3.1.2 CPU的工作原理計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 SWPU25一、單選題1.1.在CPUCPU寄存器中， ( )( )對(duì)用戶是透明的。 A. .程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 B.B.指令寄存器指令寄存器 C. C.狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器 D.D.

19、通用寄存器通用寄存器2 2. .程序計(jì)數(shù)器PCPC用來(lái)存放指令地址，其位數(shù)與（ ）相同。 A. IR B. PSW C. MDR D. MAR3 3. .指令寄存器的位數(shù)取決于（ ）。 A. 存儲(chǔ)器的容量存儲(chǔ)器的容量 B. 機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng) C. 指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng) D.存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng)4.4.采用同步控制的目的是 ( ( ) )。 A. 提高執(zhí)行速度提高執(zhí)行速度 B.滿足不同的設(shè)備對(duì)時(shí)間安排的需要滿足不同的設(shè)備對(duì)時(shí)間安排的需要 C.簡(jiǎn)化控制時(shí)序簡(jiǎn)化控制時(shí)序 D.滿足不同的操作對(duì)時(shí)間安排的需要滿足不同的操作對(duì)時(shí)間安排的需要5.5. 異步控制常用于 ( ( ) )。 A. CPU訪問外圍設(shè)備訪問外圍設(shè)備 B.微程序控制器微程序控制器 C. 微型機(jī)的微型機(jī)的CPU D.組合邏輯控制器組合邏輯控制器計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 SWPU26二、填空答題1.CPU1.CPU的專用寄存器有：_、 _ _、 _ _、 _ _、 _ _。2 2. .在控制器中，微操作信號(hào)的形成與_、 _ _、 _ _有關(guān)。3 3. .控制器的控制方式分為_、 _ _、 _ _ 。 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 SWPU27一、單選題1.1.在CPUCPU寄存器中