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文檔簡介
計算機(jī)組成原理
中央處理器CPU
中國地質(zhì)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院
2
J
V2.0
主要內(nèi)容
口CPU的功能和組成
口控制器控制原理
□指令周期(★★★)
口時序產(chǎn)生器和控制方式
口微程序控制器(★★★)
□微程序設(shè)計技術(shù)
□硬布線控制器
口流水線處理器
3
CPU的組成和功能
□CPU的功能
口CPU的組成
□CPU中的主要寄存器
口操作控制器
口時序產(chǎn)生器
4
CPU的J)J能
□取出指令并執(zhí)行指令的部件-…-CPU
■指令控制:指令執(zhí)行的順序控制;
□程序是一個指令序列,這些指令的相互順序不能任
意顛倒,必須嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序進(jìn)行。(首要
任務(wù))
■操作控制:產(chǎn)生各種操作信號;
□解釋指令的操作碼,通過若干操作信號組合控制來
實現(xiàn)指令功能。
■時間控制:控制操作信號的發(fā)生時間;
口完成一條指令的若干操作信號定時,有序執(zhí)行。
■數(shù)據(jù)加工:--ALU.算術(shù)/邏輯運算;(根本任務(wù))
■異常處理:接收、控制、管理信號資源及異常情況。
5
CPU的組成
口運算器
■算術(shù)運算/邏輯運算
■累加器、狀態(tài)條件寄存器、緩存寄存器、移碼器、鎖
存器、求補器等。
口控制器
■從內(nèi)存取出一條指令,并指出下條指令的地址
■對指令進(jìn)行譯碼,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號
■指揮并控制CPU,內(nèi)存和I/。設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送
■程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器
、操作控制器、地址寄存器等。
時鐘
狀態(tài)
操作控制器反微
命時序產(chǎn)生器
基
指令
本譯碼器
狀態(tài)條件寄存器
組n
〉/指令寄存器TR6
)輸入/輸出
成C
結(jié)TV
構(gòu)數(shù)據(jù)總線DBUS
程序計數(shù)器PC
nlzL
’地址寄存器AR
地址總線ABUS
CPU
圖5.1CPU的結(jié)構(gòu)
7
CPU中的主要寄存器
□PC(ProgramCounter)--程序計數(shù)器
□AR(AddressRegister)一地址寄存器
□DR(DataRegister)--數(shù)據(jù)緩沖寄存器
□IR(lnstructionRegister)……指令寄存器
□AC(AccumulateCount)…累加寄存器
□PSW(ProgramStatusWord)程序狀態(tài)字
8
PC
口為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去,CPU如何確定下一條
指令的地址?
□程序計數(shù)器,又稱指令計數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前,首先
將起始地址,即程序的第一條指令所在的內(nèi)存單元地址送入
PC,因此PC的內(nèi)容即是從內(nèi)存提取的第一條指令的地址。
□當(dāng)執(zhí)行指令時,CPU將自動修改PC的內(nèi)容,以便使其保持
的總是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。由于多數(shù)指令都是按
順序來執(zhí)行的,修改的過程通常只是簡單的對PC加1。
□當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令如JMP指令時,那么后繼指令的地址(即
PC的內(nèi)容)必須從指令的地址段取得。在這種情況下,下一
條從內(nèi)存取出的指令將由轉(zhuǎn)移指令來規(guī)定,而不是像通常一
樣按順序來取得。因此程序計數(shù)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是具有寄存信
息和計數(shù)兩種功能的結(jié)構(gòu)。
9
AR
口地址寄存器用來保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址。內(nèi)
存和CPU之間存在操作速度上的差別,所以必須使用地址寄
存器來保持地址信息,直到內(nèi)存的讀/寫操作完成為止。
口當(dāng)CPU和內(nèi)存進(jìn)行信息交換,即CPU向內(nèi)存存/取數(shù)據(jù)時,或
者CPU從內(nèi)存中讀出指令時,都要使用地址寄存器和數(shù)據(jù)緩
沖寄存器。同樣,如果我們把外圍設(shè)備的設(shè)備地址作為像內(nèi)
存的地址單元那樣來看待,那么,當(dāng)CPU和外圍設(shè)備交換信
息時,我們同樣使用地址寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器。
口地址寄存器的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)緩沖寄存器、指令寄存器一樣,通
常使用單純的寄存器結(jié)構(gòu)。信息的存入一般采用電位-脈沖方
式,即電位輸入端對應(yīng)數(shù)據(jù)信息位,脈沖輸入端對應(yīng)控制信
號,在控制信號作用下,瞬時地將信息打入寄存器。
10
DR
口數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來暫時存放由內(nèi)存儲器讀出的一條
指令或一個數(shù)據(jù)字;反之,當(dāng)向內(nèi)存存入一條指令或一
個數(shù)據(jù)字時,也暫時將它們存放在數(shù)據(jù)緩沖寄存器中。
口緩沖寄存器的作用是:
(1)作為CPU和內(nèi)存、外部設(shè)備之間信息傳送的中轉(zhuǎn)站;
(2)補償CPU和內(nèi)存、外圍設(shè)備之間在操作速度上差別;
(3)在單累加器結(jié)構(gòu)的運算器中,數(shù)據(jù)緩沖寄存器還可兼
作為操作數(shù)寄存器。
11
IR
口指令寄存器
□IR用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條
指令時,先把它從內(nèi)存取到DR中,然后再傳送至IR
O指令劃分為操作碼和地址碼字段,由二進(jìn)制數(shù)字
組成。為了執(zhí)行任何給定的指令,必須對操作碼進(jìn)
行測試,以便識別所要求的操作。指令譯碼器就是
做這項工作的。指令寄存器中操作碼字段的輸出就
是指令譯碼器的輸入。操作碼一經(jīng)譯碼后,即可向
操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號。
12
AC
口累加寄存器AC通常簡稱為累加器,它是一個通用寄
存器。其功能是:當(dāng)運算器的算術(shù)邏輯單元ALU)執(zhí)
行算術(shù)或邏輯運算時,為ALU提供一個工作區(qū)。累
加寄存器暫時存放ALU運算的結(jié)果信息。顯然,運
算器中至少要有一個累加寄存器。
□目前CPU中的累加寄存器,多達(dá)16個,32個,甚至
更多。當(dāng)使用多個累加器時,就變成通用寄存器堆
結(jié)構(gòu),其中任何一個可存放源操作數(shù),也可存放結(jié)
果操作數(shù)。在這種情況下,需要在指令格式中對寄
存器號加以編址。
13
P9/V
口狀態(tài)條件寄存器保存由算術(shù)指令和邏輯指令運行或
測試的結(jié)果建立的各種條件碼內(nèi)容,如運算結(jié)果進(jìn)
位標(biāo)志(C),運算結(jié)果溢出標(biāo)志(V),運算結(jié)果為零
標(biāo)志(Z),運算結(jié)果為負(fù)標(biāo)志(N)等等。這些標(biāo)志位
通常分別由1位觸發(fā)器保存。
□除此之外,狀態(tài)條件寄存器還保存中斷和系統(tǒng)工作
狀態(tài)等信息,以便使CPU和系統(tǒng)能及時了解機(jī)器運
行狀態(tài)和程序運行狀態(tài)。因此,狀態(tài)條件寄存器是
一個由各種狀態(tài)條件標(biāo)志拼湊而成的寄存器。
14
控制器基本組成
□PC(ProgramCounter)--程序計數(shù)器
□IR(InstructionRegister)……指令寄存器
□ID(InstructionDecoder)一指令譯碼器
□OC(OperateController)…操作控制器
□TG(TimerGenerator)…時序發(fā)生器
15
操作控制器
口數(shù)據(jù)通路是許多寄存器之間傳送信息的通路。
口操作控制器的功能:根據(jù)指令操作碼和地址碼,產(chǎn)生
各種控制信號序列,建立正確的數(shù)據(jù)通路,從而完成
取指令和執(zhí)行指令的控制。
□根據(jù)設(shè)計方法不同,操作控制器可分為時序邏輯型
、存儲邏輯型、時序邏輯與存儲邏輯結(jié)合型三種。
■硬布線控制器(時序邏輯型)(硬件實現(xiàn))
■微程序控制器(存儲程序型)(軟件實現(xiàn))
16
時序產(chǎn)生器
口產(chǎn)生各種時序信號(電位,脈沖);
口對各種操作實施時間上的控制O
17
CPU的主要參數(shù)
1、字長
2、時鐘頻率:主頻和外頻,主頻=外頻X倍頻
3、片內(nèi)Cache容量和速率
4、工作電壓:早期CPU工作電壓為5V,PHICPU的電
壓為L7V,P4的電壓vl.5V(l.35,l.4)
5、地址總線和數(shù)據(jù)總線寬度
6、制造工藝:在。.25微米的生產(chǎn)工藝最高可以達(dá)到
600MHz的頻率。而0.18微米的生產(chǎn)工藝CPU可達(dá)到G
赫茲的水平上。0.13微米生產(chǎn)工藝的Pentium4CPU。
例如,P42.4C:主頻為2.4GHz,外頻為200MHz,
倍頻為10;并集成512K二級緩存,支持800MHz前端
總線;P42.26B:主頻為2.26GHz,外頻為133MHz
,倍頻為17;并集成512K二級緩存,支持533MHz前
端總線。
18
運算器結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)總線DBUS#
19
ADDAX,BX
數(shù)據(jù)總線DBUS
20
ADDAX,[30]
數(shù)據(jù)總線DBUS
21
II
CPU
PSWALU糜作控制器OC執(zhí)行指令控制
PSW時序產(chǎn)生器TG
指令建碼造
程序計數(shù)器AC
000000J7
PC累加器
指令寄存器
ACIR
IR
地址寄存器
ARDR
緩沖寄L存器DR
71
地址總線20CLA數(shù)據(jù)總線
ABUS21ADD30DBUS
22STA40
23NOP
24JMP21
30000006CPU基本結(jié)構(gòu)
4000000412
22
J
主機(jī)基本組成
時
序
產(chǎn)
生
器
PG)
LDRn
23
V2.0
主要內(nèi)容
口CPU的功能和組成
口控制器控制原理
口指令周期(★★★)
口時序產(chǎn)生器和控制方式
口微程序控制器(★★★)
□微程序設(shè)計技術(shù)
□硬布線控制器
口流水線處理器
24
指令周期
口指令周期基本概念
□CLA指令周期
□ADD指令周期
□STA指令周期
□NOP指令周期
□JMP指令周期
25
指令周期
□時鐘周期:節(jié)拍脈沖,T周期。單位時間內(nèi)脈沖發(fā)生器
重復(fù)出現(xiàn)的脈沖次數(shù)稱為頻率,每個計算機(jī)系統(tǒng)都規(guī)定
了時鐘脈沖的最高頻率,稱為主頻。頻率的倒數(shù)即為時
鐘周期。它是計算機(jī)系統(tǒng)的時間基準(zhǔn),是計算機(jī)內(nèi)部的
最小時間度量單位。
□CPU周期:機(jī)器周期,從內(nèi)存讀出一條指令的最短時
間。機(jī)器周期內(nèi)完成的操作為子操作,其中包含若干個
時鐘脈沖控制下的微操作。
□指令周期:從內(nèi)存取一條指令并執(zhí)行該指令所用的時
間。
■由若干個CPU周期組成。
■CPU周期又包含若干時鐘周期(節(jié)拍脈沖)
26
J
指令周期
□指令周期由若干個(不同)機(jī)器周期組成(2?5個)
,機(jī)器周期由若干個時鐘周期組成,每個時鐘周期內(nèi)
在節(jié)拍信號的作用下完成一個微操作。
□時鐘周期是固定不變的,機(jī)器周期、指令周期可以是
固定的、也可以是可變的。
工周期」
機(jī)器周期(取指令)機(jī)器周期(執(zhí)行指令)
指令周期
圖5.3指令周期
27
指令周期基本概念
□取指令周期
□取操作數(shù)周期(可無)
口執(zhí)行周期
28
五條指令的執(zhí)行指令周期及過程
八進(jìn)制地址八進(jìn)制內(nèi)容助記符
020250000CLA
021030030ADD30
022021031STA40
023000000NOP
024140021JMP21
***
***
030000006數(shù)據(jù)
031000040數(shù)據(jù)
***
**
040存和數(shù)單元數(shù)據(jù)
29
CLA指令周期
取指令階段執(zhí)行指令階段
31
執(zhí)行過程的操作
□PC-AR
□PC+1-PC
□AR-ABUS
□RAM-DBUS-DR
□DR-IR
□操作碼譯碼或測試(識別CLA指令,指令取值結(jié)束)
口操作控制器送控制信號到ALU
□O-AC(執(zhí)行清零,指令執(zhí)行結(jié)束)
32
ADD指令周期
取指令階段執(zhí)行指令階段
數(shù)據(jù)總線
DBUS
ADD指令
34
I?
操作控制器^執(zhí)行指令控制
ALU
時序產(chǎn)生器
指令譯后和
程序建數(shù)器。。。@0006
022
I累A加器c▲~ADD30l指令寄存器
d1_JIR
地址寄存器000030
AR006
緩沖寄存器DR
地址總線20CLA數(shù)據(jù)總線
ABUS21ADD30DBUS
IR-AR(送OP地址)22STA40
23NOP
24JMP21
—ABUS—RAM
—DBUSTDR30000006
-ALU(執(zhí)行相加)ADD指令
ALU—AC40000-0041/
35
ADD執(zhí)行過程的操作
□PC-AR
□PC+l-PC
□AR-ABUS-RAM-DBUS-DR
□DR-IR
□IR(A)-AR-ABUS-RAM
□一DBUS-DR-ALU
口ALU-AC
36
STA40指令周期
取指令階段執(zhí)行指令階段
37
inn
ALU操作控制器執(zhí)行指令控制
時序產(chǎn)生器
指令譯碼器
程唯數(shù)器。。。023000006
累加器
ACSTA40
IR
地址寄存器000040
ARSTA40
緩沖寄存器DR000006
71
地址總線ZCLA數(shù)據(jù)總線
ADD30
ABUSDBUS
IR(A)->ARTABUS1STA40
(送操作數(shù)地址)23NOP
24JMP21
AC—DR30000006STA指令
DR—DBUS―RAM
(存儲數(shù)據(jù))40odo-006IF
38
執(zhí)行過程的操作
□PC-AR
□PC+1-PC
□AR-ABUS-RAM-DBUS-DR
□DR-IR
□IR(A)-AR-ABUS
□AC-DR
□DR-DBUS-RAM
39
NOP指令周期
1個CPU周期□個CPU周期:
<..............H.....................X
取指令階段執(zhí)行指令階段
40
JMP21指令周期
1個CPU周期□個CPU周期:
一.............H.................
取指令階段執(zhí)行指令階段
41
TTTTJ
ALU操作控制器執(zhí)行指令控制
時序產(chǎn)生器
指令譯碼器
程序計數(shù)器000006
000022
PC累加器
JMP21指令寄存器
AC
IR
地址寄存器jooo02i
ARJMP21
緩沖寄L存器DR
地址總線20CLA數(shù)據(jù)總線
21ADD30
ABUSDBUS
22STA40
23NOP
IR(A)―PC24JMP21
■JMP21指令
30000006
■
40000006
42
執(zhí)行過程中的操作
□PC-AR
□PC+1-PC
□AR-ABUS-RAM-DBUS-DR
□DR-IR
□IR(A)-PC
□Nextcommand
43
___I
方框圖表示
下一條指令PC—AR—RAM
,DBUSTDRTIR
取指令PC+1
譯碼測試
44
公操作
□一條指令執(zhí)行完后,CPU所進(jìn)行的一些操作。
口對外設(shè)請求的處理(中斷,通道)
口若無外設(shè)請求的處理,CPU則轉(zhuǎn)而取下條指令。
□由于取指令是每條指令都有的,所以,取指令也是
公操作。
主機(jī)基本組成--指令執(zhí)行過程另一個例子
BUS
時
序
產(chǎn)
生
器
PG)
LDR0
46
主機(jī)基本組成PC—AR
DR
主存
時
序
產(chǎn)
生
器
/
VTG)
LDR0
47
主機(jī)基本組成MEM一DR
時
序
產(chǎn)
生
器
/
VTG)
操作控制信號AR—ABUS
RD
LDDR
LDR0
48
主機(jī)基本組成DR一IR
BUS
<、武
木)七----/
IR
ITD
操作
控制器
(OC)
,1
DR一BUS
LDIR
執(zhí)行指令過程ADDRO,(81)
攆作控制信號RO->LA
IR(A)->AR
MM->DR
LDRa
50
執(zhí)行指令過程ADDRO,(81)
LDRa
52
雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路(例子)
A忍線
B總線
執(zhí)行指令A(yù)DDR0,R2
A忍線
B總線
54
“ADDR2,RO”指令的指令周期框圖
55
主要內(nèi)容
口CPU的功能和組成
口控制器控制原理
□指令周期(★★★)
口時序產(chǎn)生器和控制方式
口微程序控制器(★★★)
□微程序設(shè)計技術(shù)
□硬布線控制器
口流水線處理器
56
時序產(chǎn)生器和控制方式
□時序信號來自CPU時序信號產(chǎn)生器。機(jī)器一旦被啟動
,即CPU開始取指令并執(zhí)行指令時,操作控制器就利用
定時脈沖的順序和不同的脈沖間隔,有條理、有節(jié)奏地
指揮機(jī)器的動作,規(guī)定在這個脈沖到來時做什么,在那
個脈沖到來時又做什么。
口問題:用二進(jìn)制碼表示的指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里,
CPU是怎樣識別出它們是數(shù)據(jù)還是指令呢?
口從時間上來說,取指令是在指令周期的第一個CPU周
期,即“取指令”階段;而取數(shù)據(jù)是在指令周期的后面
幾個CPU周期中,即“執(zhí)行指令”階段。從空間上來說
,如果取出的代碼是指令,則送指令寄存器,如果取
出的代碼是數(shù)據(jù),則送運算器。
57
時序產(chǎn)生器和控制方式
□計算機(jī)采用多級時序機(jī)制:
■硬布線控制器,時序信號往往采用主狀態(tài)周期-節(jié)
拍電位-節(jié)拍脈沖三級機(jī)制。
■微程序控制器,時序信號比較簡單,一般采用節(jié)
拍電位-節(jié)拍脈沖二級體制。節(jié)拍電位表示一個
CPU周期的時間,而節(jié)拍脈沖把一個CPU周期劃
分成幾個較小的時間間隔。
58
時序發(fā)生器
MREQIORQTiT2T3T4RDWE
啟動
停機(jī)
MREQiRD'
IORQ'-WE'
脈沖發(fā)生器時鐘源
59
環(huán)形脈沖發(fā)生器與讀寫時序
MREQ°IORQ0T4T;RD0T?T?WE0
60
電路說明
□4個觸發(fā)器輸入輸出串聯(lián)構(gòu)成循環(huán)移位電路
口D觸發(fā)器R/S端分別為Reset和Set
□ClC2C3時鐘信號為上跳沿
□C4時鐘信號為下跳沿
61
C4C1C2C3
CLR上跳沿1000
下跪沿0000
上跳沿0100
上跳沿0110
上跪沿0111
下跳沿1111
上跳沿1000
62
12345678910
±TLnJ-LrLrLrLrLn_rLTL
C4'!!
Ci
1
c2
c3
Tj
T2
T3
T0r
4RD=C2-RD
WE°=C^Er
RD
WE
機(jī)器周期機(jī)器周期
63
啟停控制邏輯
TiT2T3T4RDWE
工JL.
&&
RD0WE°
64
V2.0
控制方式
□每條指令和每個操作控制信號所需的時間各不相同
,形成控制不同操作序列的時序信號的方法,稱為控
口常用的有同步控M、異步控制、聯(lián)合控制三種方式
O其實質(zhì)則反映了時
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