組成原理課程第六章-20121124

第六章中央處理器TheBigPicture:WhereareWeNow?TheFiveClassicComponentsofaComputerControlDatapathMemoryProcessorInputOutputSomeFactsaboutCPUCPUtime=IC×ClockCycleTime×ClockCyclesPerInstructionMIPSinstructions：threebasictypesHowtoimplementthem?ThesamestepsThedifferentsteps3TheMIPSInstructionFormatsAllMIPSinstructionsare32bitslong.Thethreeinstructionformats:R-typeI-typeJ-typeThedifferentfieldsare:op:operationoftheinstructionrs,rt,rd:thesourceanddestinationregisterspecifiersshamt:shiftamountfunct:selectsthevariantoftheoperationinthe“op”fieldaddress/immediate:addressoffsetorimmediatevaluetargetaddress:targetaddressofthejumpinstructionoptargetaddress026316bits26bitsoprsrtrdshamtfunct0611162126316bits6bits5bits5bits5bits5bitsoprsrtimmediate0162126316bits16bits5bits5bitsTheMIPSSubsetADDandsubtractaddrd,rs,rtsubrd,rs,rtORImmediate:orirt,rs,imm16LOADandSTORElwrt,rs,imm16swrt,rs,imm16BRANCH:beqrs,rt,imm16JUMP:jtargetoptargetaddress026316bits26bitsoprsrtrdshamtfunct0611162126316bits6bits5bits5bits5bits5bitsoprsrtimmediate0162126316bits16bits5bits5bits6本章知識(shí)點(diǎn)6.1CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)

CPU的基本功能和常見的CPU基本結(jié)構(gòu)6.2指令執(zhí)行的過程

1)數(shù)據(jù)通路的概念及組成

2)指令周期流程圖6.3時(shí)序與控制器6.4微程序控制器的工作原理

1)微程序控制的基本概念

2)微程序控制器的組成原理

3)微指令的編碼方法

4)微程序設(shè)計(jì)舉例6.5硬布線控制器的工作原理

1)硬布線控制器的模型

2)硬布線控制器的基本原理與設(shè)計(jì)方法76.1CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)(1)指令執(zhí)行順序的控制：控制程序中的指令按事先規(guī)定的順序自動(dòng)地執(zhí)行。(2)指令的操作控制：

產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的信號(hào)，以控制執(zhí)行部件按指令規(guī)定的操作運(yùn)行。(3)時(shí)間控制：對(duì)各控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，以便按規(guī)定的時(shí)間順序啟動(dòng)各操作。(4)異常和中斷處理：

處理運(yùn)算中的異常及處理外部設(shè)備的中斷服務(wù)請(qǐng)求等。(5)數(shù)據(jù)加工處理：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，或?qū)?shù)據(jù)在相關(guān)部件之間傳送。1.CPU的基本功能82.CPU的基本結(jié)構(gòu)1)控制器中各主要功能部件的作用:程序計(jì)數(shù)器PC?給出并指示下一條指令的地址?完成順序控制的功能?內(nèi)容在取指完成后即可改變?轉(zhuǎn)移指令直接修改PC值10?保存當(dāng)前正執(zhí)行的指令?指令的操作碼字段和尋址方式送譯碼2)控制器中各主要功能部件的作用:指令寄存器IR11?對(duì)指令的OP字段和尋址方式譯碼，指出指令的操作方式?譯碼的結(jié)果是找到與該指令相關(guān)的微程序的入口3)控制器中各主要功能部件的作用:指令譯碼器ID12?產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號(hào)?實(shí)現(xiàn)指令的操作控制功能4)控制器中各主要功能部件的作用:操作控制器OC

5)控制器中各主要功能部件的作用:時(shí)序產(chǎn)生器?對(duì)操作控制信號(hào)進(jìn)行同步?實(shí)現(xiàn)控制器的時(shí)間控制功能146)控制器中各主要功能部件的作用:數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR?保存與主存之間交換的數(shù)據(jù)157)控制器中各主要功能部件的作用:地址寄存器AR?存放CPU將要訪問的主存單元地址指令執(zhí)行的一般流程指令周期？（P237）取指譯碼/取操作數(shù)執(zhí)行寫會(huì)中斷周期、總線周期、I/O周期……166.2指令執(zhí)行的過程指令周期時(shí)間由于不同的指令功能不同、同一功能指令的尋址方式不同，所以取指和執(zhí)行指令的時(shí)間也不相同，因此，不同指令的指令周期時(shí)間不一定相同。幾個(gè)與指令周期有關(guān)的時(shí)間概念?CPU周期:又稱機(jī)器周期,指CPU從內(nèi)存中取出一個(gè)機(jī)器字所

需要的最短時(shí)間,通常由若干個(gè)時(shí)鐘周期組成.?時(shí)鐘周期:又稱T周期,是計(jì)算機(jī)的節(jié)拍周期,是計(jì)算機(jī)中處理

操作最基本的時(shí)間單位.

指令周期、CPU周期、時(shí)鐘周期三者之間的關(guān)系T1T2T3T4T1T2T3T4CPU周期CPU周期指令周期196.2指令執(zhí)行的過程1.數(shù)據(jù)通路的概念及組成數(shù)據(jù)通路:數(shù)據(jù)在功能部件之間傳送的路徑；數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)通路中的傳送操作是在控制信號(hào)的控制下進(jìn)行的；數(shù)據(jù)通路的建立可用總線或?qū)Ｓ猛穬煞N方法來構(gòu)建；不同功能的指令及同一指令在執(zhí)行的不同階段的數(shù)據(jù)通路可不同；數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)直接影響CPU內(nèi)各種信息的傳送路徑、指令執(zhí)行流程、所需要的微操作控制信號(hào)及其時(shí)序安排和控制器的設(shè)計(jì)；202.指令周期流程1)程序控制的過程，本質(zhì)上是由控制器根據(jù)程序所包含的指令序列，逐條執(zhí)行指令的過程。

2)指令周期一條指令從取出到執(zhí)行完成所需時(shí)間3)指令周期劃分(1)取指令周期:

根據(jù)PC的值取去主存儲(chǔ)取指令；如何形成后續(xù)指令地址。

(a)順序執(zhí)行指令時(shí)，將PC內(nèi)容加當(dāng)前指令所占用的主存單元數(shù)

(b)當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí)，根據(jù)尋址方式、轉(zhuǎn)移條件、轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址等內(nèi)容計(jì)算得到。

21(2)譯碼/取操作數(shù)周期對(duì)指令寄存器中的操作碼字段進(jìn)行譯碼并識(shí)別指令類型根據(jù)指令地址碼和尋址方式，從寄存器或存儲(chǔ)器中讀取操作數(shù)。不同的尋址方式可能具有不同的取操作數(shù)周期。算術(shù)運(yùn)算類指令大都要求雙操作數(shù)，因此，取操作數(shù)流程要經(jīng)歷兩次，第一次取源操作數(shù)，操作流程由源尋址方式字段確定，第二次取目的操作數(shù)，操作流程由目的尋址字段確定。22(3)執(zhí)行周期控制器向算術(shù)邏輯運(yùn)算單元及數(shù)據(jù)通路中的其它相關(guān)部件發(fā)送操作控制命令，完成由指令操作碼規(guī)定的動(dòng)作，包括傳送結(jié)果及記錄狀態(tài)信息。操作結(jié)果送到哪里由尋址方式確定；狀態(tài)信息(如溢出)記錄在PSW中;對(duì)轉(zhuǎn)移指令還需在執(zhí)行周期內(nèi)計(jì)算機(jī)移地址。(4)寫回將運(yùn)算結(jié)果寫到結(jié)果寄存器或存儲(chǔ)器。寫回存儲(chǔ)器時(shí)間較長(zhǎng),一般需要多個(gè)時(shí)鐘周期。233.寄存器級(jí)傳送語(yǔ)言RTL(RegisterTransferLanguage)為統(tǒng)一表示指令執(zhí)行流程，采用寄存器描述語(yǔ)言表示指令執(zhí)行過程中的操作，使用RTL的規(guī)則如下：1)用()表示讀取寄存器或主存地址的內(nèi)容，如（PC）表示讀取PC寄存器中的內(nèi)容；2)用[]表示主存單元地址或寄存器堆中寄存器的編號(hào)，則：M[6]表示主存6號(hào)單元，(M[6])表示讀取主存6號(hào)單元的數(shù)據(jù)；R[6]表示寄存器堆中6號(hào)寄存器，(R[6])表示讀取寄存器堆中6號(hào)寄存器的數(shù)據(jù)；M[(R[6])]表示寄存器堆中6寄存器內(nèi)容所指主存單元;(M[(R[6])])表示讀取寄存器堆中6寄存器內(nèi)容所指主存單元的內(nèi)容。為簡(jiǎn)化對(duì)主存單元的表示和訪問，將它們分別簡(jiǎn)化成M[R[6]]和（M[R[6]]）。3)用“AB”表示數(shù)據(jù)傳送，其中B為數(shù)據(jù)源，A為目的端；244.指令操作流程:基于單總線結(jié)構(gòu)的處理器

25根據(jù)指令周期的概念，任何指令第一個(gè)CPU周期都是取指周期，取指周期中CPU要完成以下三件事：(1)根據(jù)PC的內(nèi)容取出指令并送指令寄存器IR中保存(本書假定程序首地址已存放在PC中)；(2)修改PC的值；（這里假定計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)8位，采用單字長(zhǎng)指令，主存按字節(jié)編址）；(3)對(duì)指令的操作碼進(jìn)行譯碼或測(cè)試，以確定指令在執(zhí)行階段將要具體進(jìn)行何種操作。26(1)

LOAD指令周期流程R[0](M[6]):將主存6號(hào)單元內(nèi)容送R0,RS型指令取指階段的操作MAR(PC)X(PC)ZALUPC(Z)MDR(M[MAR])IR(MDR)各操作對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)PCout=ARin=1Xin=1+1Zout=PCin=1Read=DREin=1DRIout=IRin=1(a)取指CPU周期用到兩條數(shù)據(jù)通路：PC→MAR→MEM→MDR→IR

PC→X→ALU→Z→PC(b)執(zhí)行階段用到的數(shù)據(jù)通路：IRA→MAR→MEM→MDR→R027(1)

LOAD指令周期流程R[0](M[6]):將主存6號(hào)單元內(nèi)容送R0,RS型指令執(zhí)行階段用到的數(shù)據(jù)通路：IRA→MAR→MEM→MDR→R0執(zhí)行階段的操作

MAR(IRA)MDR(M[MAR])R[0](MDR)各操作對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)IRout=ARin=1Read=DREin=1DRIout=R0in=1

28(2)MOVE

指令周期流程R[1](IRA)：將來自于IR形式地址字段的立即數(shù)10送R1，RR型指令執(zhí)行階段的操作R[1](IRA)

對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)IRout=R1in=1

執(zhí)行CPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：IR→R1指令中的立即數(shù)送R1。29(3)ADD

指令周期流程R[0](R[0])+(R[1]):將R0和R1相加，結(jié)果送R0，RR型指令

執(zhí)行階段的操作X(R[0])ZALUR[0](Z)

對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)R0out=Xin=1R1out=1=

ADD=1Zout=R0in=1

執(zhí)行CPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：R0→X→ALU；R1→ALU

加數(shù)和被加數(shù)送ALU輸入端ALU→Z→R0

運(yùn)算結(jié)果經(jīng)Z寫回寄存器R0。30(4)STORE

指令周期流程M[R[2]](R[0]):將R0內(nèi)容送R2內(nèi)容所指主存單元保存

，RS型指令

執(zhí)行階段的操作MAR(R[2])MDR(R[0])M[R[2]](MDR)

對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)R2out=ARin=1

R0out=DRIin=1DREout=Write=1

執(zhí)行CPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：R2→MAR傳送地址；R0→MDR→MEM往主存存數(shù)據(jù)。指令的執(zhí)行需要兩個(gè)CPU周期，執(zhí)行階段的第一個(gè)CPU送地址，即將寄存器R2的內(nèi)容MAR；執(zhí)行階段第二個(gè)CPU周期內(nèi)將R0的值送MDR，然后存入MAR指向的內(nèi)存單元31(5)JMP

指令周期流程PC(IRA):將1000送入PC，實(shí)現(xiàn)無(wú)條件轉(zhuǎn)移

執(zhí)行階段的操作PC(IRA)對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)IRout=PCin=1

執(zhí)行CPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：

IRA→PC6.3.2基于專用通路結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)通路（MIPS子集）基本功能部件Multiplexor（MUX）：dataselectorRegisterfileInstructionMemoryandDataMemorySignextendADDandALU功能部件的兩種類型elementsthatoperateondatavalues（ALU）theiroutputsdependonlyonthecurrentinputselementsthatcontainstate（memory，register）Theoutputprovidesthevaluethatwaswritteninanearlierclockcycle32取指令的數(shù)據(jù)通路33R型ALU指令所需的部件34訪存指令所需的部件35支持算術(shù)邏輯運(yùn)算指令和訪存指令的Datapath36條件轉(zhuǎn)移指令所需的部件3738單周期數(shù)據(jù)通路（P249圖6.14）控制信號(hào)的作用（P250圖6.8）3940單周期數(shù)據(jù)通路（P249圖6.14）41add$t1,$t2,$t3（R型指令）多周期的數(shù)據(jù)通路asharedmemoryunit,asingleALUsharedamonginstructions,andtheconnectionsamongthesesharedunits.Multiplexors，newtemporaryregistersInstructionregister(IR),Memorydataregister(MDR),A,B,andALUOut.4243圖6.15P251MIPS指令執(zhí)行步驟表6.11（P255）44456.4時(shí)序與控制器1.中央處理器的時(shí)序

過去的計(jì)算機(jī)采用主狀態(tài)周期、節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖三級(jí)時(shí)序體制來對(duì)操作控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)控制.

主狀態(tài)周期:一般對(duì)應(yīng)指令的執(zhí)行時(shí)間節(jié)拍電位:對(duì)應(yīng)指令執(zhí)行的不同周期,如取指周期,以主存的工作周期為基礎(chǔ)節(jié)拍脈沖:完成一次微操作所需要的時(shí)間

462.啟?？刂齐娐?/p>

啟停控制邏輯的作用是保證節(jié)拍和脈沖信號(hào)的完整性。即啟動(dòng)從第一個(gè)CPU周期的第一個(gè)節(jié)拍脈沖前沿開始工作，停機(jī)在一個(gè)CPU周期的最后一個(gè)節(jié)拍脈沖的下降沿結(jié)束。只有這樣才能保證時(shí)序信號(hào)脈沖的完整性和指令功能的完整性。

476.4微程序控制器的工作原理1.微程序控制的基本概念

?微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是利用軟件方法來設(shè)計(jì)硬件的技術(shù)?微程序控制的基本思想仿照程序設(shè)計(jì)的方法，把完成每條指令所需要的操作控制信號(hào)編寫成微指令，存放到一個(gè)只讀存儲(chǔ)器(控存)中。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序，當(dāng)機(jī)器執(zhí)行程序時(shí)依次讀出每條指令所對(duì)應(yīng)的微指令,執(zhí)行每條微指令中規(guī)定的微操作,從而完成指令的功能,重復(fù)這一過程,直到該程序的所有指令完成.

微程序控制器的設(shè)計(jì)采用了存儲(chǔ)技術(shù)和程序設(shè)計(jì)技術(shù)，使復(fù)雜的控制邏輯得到簡(jiǎn)化，從而推動(dòng)了微程序控制器的廣泛應(yīng)用.48程序微指令微程序491)微命令和微操作?控制部件與執(zhí)行部件之間的聯(lián)系控制部件執(zhí)行部件控制線反饋線?微命令控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制信號(hào)(打開和關(guān)閉控制門)?微操作執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作?反饋線的作用向控制部件反饋執(zhí)行的狀態(tài)信息，以便控制部件進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試502)微操作的分類微操作是計(jì)算機(jī)中最基本的操作，由于數(shù)據(jù)通路、邏輯功能的關(guān)系，微操作可以分為相容性的和相斥性的微操作：?相容性的微操作能同時(shí)并行執(zhí)行的微操作?相斥性的微操作不能同時(shí)并行執(zhí)行的微操作51圖中相斥性的微操作有：(+、–

、M)(4、6、8)(5、7、9)圖中相容性的微操作有：1、2、3(4、6、8)與(5、7、9)兩組中各取一個(gè)任意組合521)控制存儲(chǔ)器：存放用來實(shí)現(xiàn)全部指令的所有微程序，是一種只讀存儲(chǔ)器，微程序固化在其中，其容量取決于機(jī)器指令和每條指令微程序的長(zhǎng)度，字長(zhǎng)取決于微指令的字長(zhǎng)，也與容量有一定關(guān)系(!)。要求控制存儲(chǔ)器快速。2.微程序控制器的組成原理

532)微指令寄存器(IR)?存放從控存中讀出的微指令?是圖中的哪部分?3)微地址寄存器(AR)存儲(chǔ)訪問CM的微地址544)微地址產(chǎn)生邏輯用于產(chǎn)生后續(xù)微指令地址。能作為后繼微指令地址的有下列形式：?微程序的入口地址?順序地址?轉(zhuǎn)移地址553.微指令的的格式與微命令編碼

1)微指令的格式操作控制字段是微指令的主體，由若干微命令位組成?？刂谱侄沃械拿恳晃煌ǔ１硎疽粋€(gè)特定的微命令，微指令是否含某個(gè)微命令，由該位的狀態(tài)1或0決定。判別測(cè)試字段指出微指令執(zhí)行過程中需要測(cè)試的外部條件，如進(jìn)位、運(yùn)算結(jié)果是否為零等；下地址字段給出的地址是下條微指令地址，最終是否按照該地址執(zhí)行下一條微指令與是否進(jìn)行條件測(cè)試及測(cè)試條件是否成立等有關(guān)。56?微命令編碼就是微指令中的操作控制字段采用的表示方法(1)直接表示法?操作字段的每一位表示一個(gè)微命令?優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單、直觀，?缺點(diǎn):微指令字長(zhǎng)、不利于減少控存容量2)微指令的格式57(2)編碼表示法?把一組互斥的信號(hào)組成一個(gè)小組，然后通過小組譯碼器譯碼，譯碼輸出將作為操作控制信號(hào)。每次每個(gè)小組最多只能有一個(gè)有效。譯碼譯碼譯碼譯碼字段1字段2字段3P字段下地址字段微命令?若某小組有4個(gè)微命令，則微指令中該字段需要多少位？需要3位，為什么？因?yàn)槊孔侄谓?jīng)過譯碼后，要有一個(gè)狀態(tài)表示不使用本組中的微命令。58?編碼表示法的優(yōu)點(diǎn):大大縮短微指令字的長(zhǎng)度，從而減少控存的容量。?編碼表示法的缺點(diǎn)：增加的譯碼電路降低了微指令的執(zhí)行速度。(3)混合表示法綜合前面的直接表示法和編碼表示法.關(guān)于微命令編碼的結(jié)論:目前一般使用字段直接表示法.594.微程序設(shè)計(jì)舉例LOAD指令取指周期的操作及控制信號(hào)604.微程序設(shè)計(jì)舉例MOVE指令取指周期的操作及控制信號(hào)614.微程序設(shè)計(jì)舉例ADD指令取指周期的操作及控制信號(hào)624.微程序設(shè)計(jì)舉例STORE指令取指周期的操作及控制信號(hào)634.微程序設(shè)計(jì)舉例JMP指令取指周期的操作及控制信號(hào)644.微程序設(shè)計(jì)舉例各指令操作系列順序的安排必須保證指令功能的正確實(shí)現(xiàn)。如取指令階段MAR(PC)操作一定要在IR(MDR)之前完成，否則取出出錯(cuò)；同一節(jié)拍內(nèi)不能同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的部件向公共總線輸出信息。如取指階段PCout、Zout和DRIout必須被分別安排在不同的節(jié)拍內(nèi)；上述指令微操作序列實(shí)現(xiàn)，重在描述實(shí)現(xiàn)方法，并不是優(yōu)化；指令執(zhí)行不同周期所需要的節(jié)拍數(shù)可能不同，上述安排采用了同步控制方法，每個(gè)周期都分配了四個(gè)節(jié)拍，因此，部分指令有些周期中存在一些空節(jié)拍，沒有任何微操作。655.微命令的同步微程序存放在控存中，每條指令的微程序包含幾條微指令(包括取指令微指令)就表示該指令的執(zhí)行需要幾個(gè)CPU周期。微命令自從控存中取出并送入微指令寄存器后就開始生效，直到新的微指令送入微指令寄存器(一個(gè)CPU周期的時(shí)間)一條微指令的若干個(gè)微命令中,

大部分微命令只能在一個(gè)CPU周的某個(gè)T周期有效，必須對(duì)微命令進(jìn)行時(shí)間同步后才能與相應(yīng)執(zhí)行部件的控制端相連。66微命令同步的基本方法就是列出每個(gè)微命令的邏輯表達(dá)式，并用相應(yīng)的邏輯電路實(shí)現(xiàn)表達(dá)式的功能，電路的輸入來自微指令的相關(guān)位和時(shí)序信號(hào)（包括節(jié)拍電位或節(jié)拍脈沖），對(duì)應(yīng)邏輯電路的輸出才能與相應(yīng)執(zhí)行部件的控制端相連。下面以Zout為例說明微命令的同步方法。Zout=M取指周期Zout’T2+ADDM執(zhí)行周期Zout’T3。676.5硬布線控制器的工作原理

1.硬布線控制器的模型1)組合邏輯控制單元

是控制器的核心，產(chǎn)生指令執(zhí)行所需要的控制信號(hào)(包括控制電位與打入脈沖)，可采用組合邏輯電路或可編程陣列邏輯或ROM實(shí)現(xiàn).輸入來自:指令碼譯碼器的輸出；條件狀態(tài)寄存器的狀態(tài)標(biāo)