第6章中央處理部件CPU

1第六章

中央處理單元

CenterProcessingUnit

簡稱CPU26.1CPU內(nèi)部的組成中央處理器簡稱CPU，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。主要功能：程序的執(zhí)行（指令控制），信息的處理（數(shù)據(jù)加工），操作控制，時間控制，I/O設(shè)備的控制。組成：運(yùn)算器，寄存器，控制器，時鐘電路，（某些CPU中還包括一定容量的ROM、RAM存儲器）3通用寄存器組運(yùn)算寄存器ALU標(biāo)志寄存器執(zhí)行控制電路指令隊(duì)列緩沖器IO控制電路4個段寄存器1個IP寄存器內(nèi)部寄存器外圍總線中央處理器的基本結(jié)構(gòu)與組成46.2控制器的組成一、控制器的組成控制器是指揮與控制整臺計(jì)算機(jī)各功能部件協(xié)同工作、自動執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序的部件。它把運(yùn)算器和存儲器以及I/O設(shè)備組成一個有機(jī)的系統(tǒng)?？刂破鞯淖饔檬强刂瞥绦颍粗噶睿┑挠行驁?zhí)行?；竟δ埽喝≈噶?、分析解釋指令、執(zhí)行指令（包括控制程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出、以及對異常情況和特殊請求的處理）組成：一般由指令指針寄存器IP、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、控制邏輯電路和時鐘控制電路等組成.5

通用寄存器GRALUDRAR6二

、指令執(zhí)行過程舉例1）一條加法指令的執(zhí)行過程,分解成若干個基本操作：①從存儲器取指令，送人指令寄存器，并進(jìn)行操作碼譯碼。程序計(jì)數(shù)器加1，為下一條指令作好準(zhǔn)備?？刂破靼l(fā)出的控制信號PCAB，W／R=0，M/IO=1；DBIR；PC＋l。②計(jì)算數(shù)據(jù)地址，將計(jì)算得到的有效地址送地址寄存器AR。其中rs1標(biāo)志通用寄存器地址、GR表示通用寄存器、disp表示位移量。控制器發(fā)出的控制信號:rs1GR，（rs1）ALU，dispALU;“十”；ALUAR（有效地址送地址寄存器）。③到存儲器取數(shù)。控制器發(fā)出的控制信號ARAB,W／R=0，M/IO=1;DBDR。（將地址寄存器內(nèi)容送地址總線，同時發(fā)訪存讀命令，存儲器讀出數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線后，打人數(shù)據(jù)寄存器）。7

④進(jìn)行加法運(yùn)算，結(jié)果送寄存器，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果置狀態(tài)位N（負(fù)數(shù)），Z（零），V（溢出）。C（進(jìn)位）。

控制器送出的控制信號rs→GR,（rs）→ALU，DR→ALU（兩個源操作數(shù)送ALU）；‘十’（ALU進(jìn)行加法運(yùn)算）;rd→GR;ALU→rd。置N、Z，V、C（結(jié)果送寄存器，并置狀態(tài)位）。以上操作需要四個機(jī)器周期機(jī)器周期：完成一種機(jī)器操作所需要的時間，以時鐘周期為單位。指令周期：完成一條指令所需要的時間，以機(jī)器周期為單位。本指令為四個機(jī)器周期8（2）條件轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行過程指令功能根據(jù)N，Z，V，C的狀態(tài)，決定是否轉(zhuǎn)換。如轉(zhuǎn)移條件成立則轉(zhuǎn)移到本條指令所指定的地址，否則順序執(zhí)行下一條指令。本條指令完成以下操作①從存儲器取指令，送人指令寄存器并進(jìn)行操作碼譯碼。程序計(jì)數(shù)器加1，如不轉(zhuǎn)移，即為下一條要執(zhí)行的指令地址。本操作對所有指令都是相同的。②如轉(zhuǎn)移條件成立，根據(jù)指令規(guī)定的尋址方式計(jì)算有效地址，轉(zhuǎn)移指令經(jīng)常采用相對尋址方式。此時轉(zhuǎn)移地址=PC＋diSP。此處PC是指本條指令的地址，而在上一機(jī)器周期已執(zhí)行pc+1操作，因此計(jì)算時應(yīng)取原pc值，或?qū)\(yùn)算進(jìn)行適當(dāng)修正。最后將轉(zhuǎn)移地址送pc。

本條指令只需要兩個機(jī)器同期，如轉(zhuǎn)移條件成立，在第二機(jī)器周期增加一個ALU→PC信號；另外如為相對轉(zhuǎn)移，則用PCALU信號取代加法指令第2周期中的（rs1）→ALU信號,其他信號與加法指令的前兩個機(jī)器周期中的信號相同。96.3微程序控制計(jì)算機(jī)的基本工作原理在計(jì)算機(jī)中，一條指令的功能是通過按一定次序執(zhí)行一系列基本操作完成的，這些基本操作稱為微操作（完成微操作的控制信號稱為微命令）。如取指令、計(jì)算地址等。微操作在執(zhí)行部件中是最基本的操作。由于數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)關(guān)系，微操作可分為相容性和相斥性兩種。所謂相容性的微操作，是指在同時或同一個CPU周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微操作。所謂相斥性的微操作，是指不能在同時或不能在同一個CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作。

微指令：在微程序控制的計(jì)算機(jī)的一個CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令。一條機(jī)器指令由若干條微指令(微程序）組成，一條微指令由由若干條微命令組成。

微程序：計(jì)算機(jī)每條指令的功能均由微指令序列解釋完成，這些微指令序列的集合就叫做微程序。執(zhí)行一條指令實(shí)際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲器中的微程序。

控制存儲器：控制存儲器是存放微程序的存儲器，由于該存儲器主要存放控制命令及下一條執(zhí)行的微指令的地址（簡稱為下址），所以稱為控制存儲器。由于機(jī)器內(nèi)控制信號數(shù)量比較多，再加上決定下址的地址碼有一定寬度，所以控制存儲器的字長比機(jī)器字長要長得多。

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2.微程序控制器微程序控制器的基本工作原理如下當(dāng)指令取入IR中以后，根據(jù)操作碼進(jìn)行譯碼，得到相應(yīng)指令的第一條微指令的地址、在圖610中當(dāng)執(zhí)行加法指令時譯碼得到的地址為1001，當(dāng)執(zhí)行減法指令時，譯碼得到的地址為1004,…，當(dāng)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令時，譯碼得到的地址為1100之后，都由微指令的下址字段指出下一條微指令的地址。指令譯碼部件可用只讀存儲器組成，存放所對應(yīng)的微程序在控制存儲器中的入口地址,將操作碼作為只讀存儲器的輸入地址，即獲取微程序首地址。微指令分成兩部分，產(chǎn)生控制信號的部分一般稱為控制字段，產(chǎn)生下址的部分稱為下址字段?？刂谱侄胃魑坏妮敵鐾ㄟ^連接線直接與受控制的三態(tài)門(與/或門)相連，產(chǎn)生微操作所需要的控制信號。11微程序控制器簡框圖IR形成本條指令的微程序入口地址

微指令寄存器操作碼地址碼指令譯碼控制存儲器控制字段下一條地址123、時鐘控制電路

——為每條指令按時間順序執(zhí)行提供基準(zhǔn)信號

時鐘控制電路由時鐘脈沖發(fā)生器(石英晶體振蕩器)和啟?？刂齐娐方M成。石英晶體振蕩器產(chǎn)生一定頻率的時鐘脈沖信號，作為整個機(jī)器的時間基準(zhǔn)源。主頻稱為主機(jī)振蕩頻率，具體分為CPU內(nèi)部頻率和外部頻率（總線頻率），它的高低取決于這臺計(jì)算機(jī)的CPU的適應(yīng)能力。時鐘周期：主頻的倒數(shù),表示相鄰脈沖的時間間隔，通常稱為節(jié)拍脈沖或T周期。它是處理操作的最基本單位。指令周期：取出并執(zhí)行一條指令所需要的時間。機(jī)器周期：將指令周期劃分成幾個時間段，每個階段稱為一個機(jī)器周期，也稱為CPU周期。三級時序舉例： 時鐘周期≤機(jī)器周期≤指令周期136.4微程序設(shè)計(jì)技術(shù)在實(shí)際進(jìn)行微程序設(shè)計(jì)時還應(yīng)關(guān)心下面三個問題:如何縮短微指令字長；如何減少微程序長度；如何提高微程序的執(zhí)行速度。這就是在本節(jié)所要討論的微程序設(shè)計(jì)技術(shù)。

1、控制字段編譯法：（1）直接控制法：在微指令的控制字段中，每一位代表一個微命令，‘1’或‘0”代表打開或關(guān)閉某個控制門。缺點(diǎn)：微命令位數(shù)太多。（2）字段直接編譯法：將一組互斥的微命令通過編譯器來選擇其中的一個微命令起作用。如：3位可控制4~7個微命令14

（3）字段間接編譯法在字段直接編譯法中，還規(guī)定一個字段的某些微命令要兼由另一字段中的某些微命令來解釋。稱為字段間接編譯法。如RD、WR與MREQ或IORQ相組合，形成MEMR或IOR、2、產(chǎn)生后繼微指令地址一般有兩種方法：（1）由指令操作碼譯碼器產(chǎn)生后繼微地址（2）由微指令的下址宇段指出后繼微地址（3）由控制測試字段BCF產(chǎn)生下址3、微指令的分成兩類：水平型微指令和垂直型微指令。（1）水平型微指令：一條微指令中定義并執(zhí)行多個井行操作微命令。用直接控制法、字段編譯法（直接、間接編譯法）產(chǎn)生控制字段。直接控制法最快，字段編譯法要經(jīng)過譯碼所以會增加一些延遲時間。格式如下：控制字段判別測試字段下地址字段15

2.垂直型微指令采用微操作碼規(guī)定微指令的功能，稱為垂直型微指令。其特點(diǎn)是不強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)微指令的并行控制功能，通常一條微指令只要求能控制實(shí)現(xiàn)一二種操作。這種微指令格式與機(jī)器指令相似。如垂直型微指令格式：1、R-R傳送型微指令

2、訪問主存微指令000

源寄存器編址目標(biāo)寄存器編址

其他010寄存器編址存儲器編址讀寫其他16

水平型微指令與垂直型微指令的比較(1)水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性強(qiáng),垂直型微指令則差。在一條垂直型微指令中，一般只能完成一個操作控制一兩個信息傳送道路，因此微指令的并行操作能力低，效率低。（2）水平型微指令執(zhí)行一條指令的時間短,垂直型微指令執(zhí)行時間長。(3)由水平型微指令解釋指令的微程序具有微指令字比較長,但微程序短的特點(diǎn)。垂直型微指令則相反，微指令字比較短而微程序長。（4）水平型微指令用戶難以掌握而垂直型微指令與指令比較相似，相對來說，比較容易掌握。17

6.5硬布線控制的計(jì)算機(jī)控制器按控制信號的產(chǎn)生可分為類：1）微程序控制器：執(zhí)行微指令產(chǎn)生控制信號2）硬布線控制器：通過邏輯電路（與、或、異或門、非門、時序電路（D觸發(fā)器、三態(tài)門、計(jì)數(shù)器等）產(chǎn)生控制信號的，所以又稱為組合邏輯控制器。相同點(diǎn)：僅控制信號的產(chǎn)生方式不同，控制器的其他組成部分諸如時鐘、啟停電路、程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器以及電路配合問題等等，則相同。不同點(diǎn)：1）微程序控制器的控制功能由執(zhí)行存放在控制存儲器微程序?qū)崿F(xiàn)，而硬布線控制則由邏輯門組合實(shí)現(xiàn)。2）前者電路比較規(guī)整，易增加或修改指令，后者電路設(shè)計(jì)零亂且復(fù)雜，不易修改。18

2、在性能上微程序控制的速度比硬布線控制的速度低，而硬有線邏輯主要取決于電路延遲，如，往往采用硬布線邏輯。近年來在一些新型CPU和計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)（RISC）中，一般選用硬布線邏輯。19

6.6控制器的控制方式按形成時序控制信號的方法有：同步控制方式、異步控制方式和聯(lián)合控制方式。1.同步控制方式：指令在執(zhí)行時所需的機(jī)器周期和時鐘周期都是固定不變的，稱為同步控制方式。在程序運(yùn)行時任何指令的執(zhí)行或指令中每個微操作的執(zhí)行都受事先確定的時序信號所控制，每個時序信號的結(jié)束就意味著一個微操作或一條指令已經(jīng)完成,隨即開始執(zhí)行后續(xù)的微操作或自動轉(zhuǎn)向下條指令的運(yùn)行。2.異步控制方式：當(dāng)控制器發(fā)出進(jìn)行某一微操作控制信號后，等待執(zhí)行部件完成該操作后發(fā)回的‘回答’信號或結(jié)束信號，再開始新的微操作。即每條指令，每個微操作需要多少時間就占用多少時間。微操作序列沒有固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時鐘同步。20

3.聯(lián)合控制方式：同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。對不同指令的各個微操作實(shí)行大部分統(tǒng)一，小部分區(qū)別對待的方式。即大部分微操作安排在一個固定機(jī)器周期中，并在同步時序信號控制下進(jìn)行；而對那些時間難以確定的微操作則以執(zhí)行部件送回的‘回答’信號作為本次做操作的結(jié)束。

4.人工控制

為了調(diào)機(jī)和軟件開發(fā)的需要，在計(jì)算機(jī)面板或內(nèi)部往往設(shè)置一些開關(guān)或按鍵以進(jìn)行人工控制。最常見的有reset按鍵、連續(xù)執(zhí)行或單條指令執(zhí)行的轉(zhuǎn)換開關(guān)、符合停機(jī)開關(guān)等。216.7流水線工作原理馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)工作原理依序逐條執(zhí)行程序指令———串行的工作方式例如，加法指令執(zhí)行過程如下：特點(diǎn)：控制簡單，速度低，機(jī)器各部件利用率低。例如，在取指令時譯碼器和運(yùn)算器等都空閑，而在存結(jié)果時其它部件也在空閑。若能把程序中的多條指令在時間上重疊起來執(zhí)行會否顯著提高機(jī)器速度呢？這種工作方式稱為流水線處理。取指1譯碼1取數(shù)1運(yùn)算1存數(shù)1取指2譯碼2取數(shù)2運(yùn)算2存數(shù)2…....22指令的重疊執(zhí)行——流水線工作原理五條指令流水線處理重疊執(zhí)行情況：

T1T2T3T4T5——機(jī)器執(zhí)行時間取指1譯碼1取數(shù)1運(yùn)算1存數(shù)1取指2譯碼2取數(shù)2運(yùn)算2存數(shù)2取指3譯碼3取數(shù)3運(yùn)算3存數(shù)3取指4譯碼4取數(shù)4運(yùn)算4存數(shù)4取指5譯碼5取數(shù)5運(yùn)算5存數(shù)5

由上可見，若將一條指令的執(zhí)行時間分為五段,每段所用時間為T，則一條指令執(zhí)行時間為5T。串行工作執(zhí)行n條指令的時間為5nT并行工作執(zhí)行n