第6章中央處理部件CPU

1第六章

中央處理單元

CenterProcessingUnit

簡(jiǎn)稱CPU26.1CPU內(nèi)部的組成中央處理器簡(jiǎn)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(shí)間控制，I/O設(shè)備的控制。組成：運(yùn)算器，寄存器，控制器，時(shí)鐘電路，（某些CPU中還包括一定容量的ROM、RAM存儲(chǔ)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(gè)段寄存器1個(gè)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(tái)計(jì)算機(jī)各功能部件協(xié)同工作、自動(dòng)執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序的部件。它把運(yùn)算器和存儲(chǔ)器以及I/O設(shè)備組成一個(gè)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≈噶睢⒎治鼋忉屩噶?、執(zhí)行指令（包括控制程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出、以及對(duì)異常情況和特殊請(qǐng)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(shí)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(gè)基本操作：①從存儲(chǔ)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(hào)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?？刂破靼l(fā)出的控制信號(hào):rs1GR，（rs1）ALU，dispALU;“十”；ALUAR（有效地址送地址寄存器）。③到存儲(chǔ)器取數(shù)?？刂破靼l(fā)出的控制信號(hào)ARAB,W／R=0，M/IO=1;DBDR。（將地址寄存器內(nèi)容送地址總線，同時(shí)發(fā)訪存讀命令，存儲(chǔ)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(hào)rs→GR,（rs）→ALU，DR→ALU（兩個(gè)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(gè)機(jī)器周期機(jī)器周期：完成一種機(jī)器操作所需要的時(shí)間，以時(shí)鐘周期為單位。指令周期：完成一條指令所需要的時(shí)間，以機(jī)器周期為單位。本指令為四個(gè)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(chǔ)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(duì)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(duì)尋址方式。此時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)ALU→PC信號(hào)；另外如為相對(duì)轉(zhuǎn)移，則用PCALU信號(hào)取代加法指令第2周期中的（rs1）→ALU信號(hào),其他信號(hào)與加法指令的前兩個(gè)機(jī)器周期中的信號(hào)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(hào)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(shí)或同一個(gè)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(shí)或不能在同一個(gè)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(gè)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(chǔ)器中的微程序。

控制存儲(chǔ)器：控制存儲(chǔ)器是存放微程序的存儲(chǔ)器，由于該存儲(chǔ)器主要存放控制命令及下一條執(zhí)行的微指令的地址（簡(jiǎn)稱為下址），所以稱為控制存儲(chǔ)器。由于機(jī)器內(nèi)控制信號(hào)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(chǔ)器的字長(zhǎng)比機(jī)器字長(zhǎng)要長(zhǎng)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(shí)譯碼得到的地址為1001，當(dāng)執(zhí)行減法指令時(shí)，譯碼得到的地址為1004,…，當(dāng)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，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(chǔ)器組成，存放所對(duì)應(yīng)的微程序在控制存儲(chǔ)器中的入口地址,將操作碼作為只讀存儲(chǔ)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(hào)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(hào)。11微程序控制器簡(jiǎn)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(chǔ)器控制字段下一條地址123、時(shí)鐘控制電路

——為每條指令按時(shí)間順序執(zhí)行提供基準(zhǔn)信號(hào)

時(shí)鐘控制電路由時(shí)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(shí)鐘脈沖信號(hào)，作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)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(tái)計(jì)算機(jī)的CPU的適應(yīng)能力。時(shí)鐘周期：主頻的倒數(shù),表示相鄰脈沖的時(shí)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(shí)間。機(jī)器周期：將指令周期劃分成幾個(gè)時(shí)間段，每個(gè)階段稱為一個(gè)機(jī)器周期，也稱為CPU周期。三級(jí)時(shí)序舉例： 時(shí)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(shí)還應(yīng)關(guān)心下面三個(gè)問題:如何縮短微指令字長(zhǎng)；如何減少微程序長(zhǎng)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(gè)微命令，‘1’或‘0”代表打開或關(guān)閉某個(gè)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(gè)微命令起作用。如：3位可控制4~7個(gè)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(gè)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(cè)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(gè)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(huì)增加一些延遲時(shí)間。格式如下：控制字段判別測(cè)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(chǔ)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(gè)操作控制一兩個(gè)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(shí)間短,垂直型微指令執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)。(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(zhǎng),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(zhǎng)。（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(duì)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(hào)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(hào)2）硬布線控制器：通過邏輯電路（與、或、異或門、非門、時(shí)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(hào)的，所以又稱為組合邏輯控制器。相同點(diǎn)：僅控制信號(hào)的產(chǎn)生方式不同，控制器的其他組成部分諸如時(shí)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(chǔ)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(shí)序控制信號(hào)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(shí)所需的機(jī)器周期和時(shí)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(shí)任何指令的執(zhí)行或指令中每個(gè)微操作的執(zhí)行都受事先確定的時(shí)序信號(hào)所控制，每個(gè)時(shí)序信號(hào)的結(jié)束就意味著一個(gè)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(dòng)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(hào)后，等待執(zhí)行部件完成該操作后發(fā)回的‘回答’信號(hào)或結(jié)束信號(hào)，再開始新的微操作。即每條指令，每個(gè)微操作需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。微操作序列沒有固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時(shí)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(duì)不同指令的各個(gè)微操作實(shí)行大部分統(tǒng)一，小部分區(qū)別對(duì)待的方式。即大部分微操作安排在一個(gè)固定機(jī)器周期中，并在同步時(shí)序信號(hào)控制下進(jìn)行；而對(duì)那些時(shí)間難以確定的微操作則以執(zhí)行部件送回的‘回答’信號(hào)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(jiǎn)單，速度低，機(jī)器各部件利用率低。例如，在取指令時(shí)譯碼器和運(yùn)算器等都空閑，而在存結(jié)果時(shí)其它部件也在空閑。若能把程序中的多條指令在時(shí)間上重疊起來執(zhí)行會(huì)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(shí)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(shí)間分為五段,每段所用時(shí)間為T，則一條指令執(zhí)行時(shí)間為5T。串行工作執(zhí)行n條指令的時(shí)間為5nT并行工作執(zhí)行n