計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 課件 09CPU組織

CPU組織計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)CPUCentralProcessingUnit主要構(gòu)成運(yùn)算器控制器高速緩存Cache數(shù)據(jù)通路（內(nèi)部總線）……CPU的功能指令控制：程序的順序控制，稱為指令控制。由于程序是一個(gè)指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序進(jìn)行，因此，保證機(jī)器按順序執(zhí)行程序是CPU的首要任務(wù)。操作控制：一條指令的功能往往是由若干個(gè)操作信號(hào)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號(hào)，把各種操作信號(hào)送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行操作。時(shí)間控制：對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)，稱為時(shí)間控制。因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)中，各種指令的操作信號(hào)均受到時(shí)間的嚴(yán)格定時(shí)。另一方面，一條指令的整個(gè)執(zhí)行過(guò)程也受到時(shí)間的嚴(yán)格定時(shí)。只有這樣，計(jì)算機(jī)才能有條不紊地自動(dòng)工作。數(shù)據(jù)加工：所謂數(shù)據(jù)加工，就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理。完成數(shù)據(jù)的加工處理，是CPU的根本任務(wù)，因?yàn)?，原始信息只有?jīng)過(guò)加工處理后才能對(duì)人們有用。CPU的基本組成運(yùn)算器：數(shù)據(jù)加工算術(shù)邏輯單元ALU累加寄存器（或通用寄存器）數(shù)據(jù)緩沖寄存器狀態(tài)條件寄存器控制器：發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作程序計(jì)數(shù)器指令寄存器、指令譯碼器時(shí)序產(chǎn)生器操作控制器控制器的主要功能從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)，以便啟動(dòng)規(guī)定的動(dòng)作。指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。簡(jiǎn)化的CPU視圖寄存器組織用戶可見(jiàn)寄存器（User-VisibleRegister）允許機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言的編程人員通過(guò)優(yōu)化寄存器的使用而減少對(duì)主存的訪問(wèn)?？刂坪蜖顟B(tài)寄存器（ControlAndStatusRegister）用來(lái)控制CPU的操作并被特權(quán)的操作系統(tǒng)程序用于控制程序的執(zhí)行。用戶可見(jiàn)寄存器通用寄存器（GeneralPurposeRegister）可被程序員指派各種用途。有時(shí)，它們?cè)谥噶罴械氖褂檬钦挥诓僮鞯模慈魏瓮ㄓ眉拇嫫髂転槿魏尾僮鞔a容納操作數(shù)。這提供了真正通用的意義。條件代碼（ConditionCodes）寄存器，也被稱為程序狀態(tài)字（ProgramStatusWord，PSW），CPU硬件設(shè)置這些條件位作為操作的結(jié)果。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寄存器僅可用于保持?jǐn)?shù)據(jù)而不能用于操作數(shù)地址的計(jì)算。存儲(chǔ)地址寄存器可以是自身有某些通用性，或是專用于某種具體的尋址方式。控制和狀態(tài)寄存器程序計(jì)數(shù)器（PC）：含有待取指令的地址。指令寄存器（IR）：含有最近取來(lái)的指令。存儲(chǔ)地址寄存器（MAR）：含有存儲(chǔ)器位置的地址。存儲(chǔ)緩沖寄存器（MBR）：也稱為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寄存器（MDR），含有將被寫入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)字或最近讀出的字。寄存器組織示例x86EFLAGSRegister簡(jiǎn)單CPU模型操作控制器作用：根據(jù)指令，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)類型硬布線控制器，它是采用組合邏輯控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它的優(yōu)點(diǎn)是速度快，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不規(guī)整，設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)較困難微程序控制器，它是采用存儲(chǔ)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維護(hù)、擴(kuò)充指令方便控制器的時(shí)序系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，而時(shí)間標(biāo)志則是用時(shí)序信號(hào)來(lái)體現(xiàn)的。一般來(lái)說(shuō)，控制器發(fā)出的各種控制信號(hào)都是時(shí)間因素（時(shí)序信號(hào)）和空間因素（部件位置）的函數(shù)。時(shí)序產(chǎn)生器的作用就在于將各種控制信號(hào)嚴(yán)格定時(shí)，使多個(gè)控制信號(hào)在時(shí)間上相互配合完成某一功能。指令執(zhí)行的基本過(guò)程取指令階段取指令階段對(duì)所有指令都是相同的，它是將程序計(jì)數(shù)器（PC）的內(nèi)容作為地址去讀內(nèi)存，將該單元的內(nèi)容即指令讀出送往指令寄存器（IR）。同時(shí)PC的內(nèi)容自增，指向下一條指令，也就是說(shuō)取指令是一次內(nèi)存的讀操作。取操作數(shù)階段取操作數(shù)僅針對(duì)操作數(shù)存放在內(nèi)存的情況。由于尋址方式的不同（直接、間接、基址、相對(duì)、變址等），取操作數(shù)的過(guò)程也大不相同，取操作數(shù)是一次或多次內(nèi)存的讀操作，還可能包括操作數(shù)地址的計(jì)算（如變址、基址、相對(duì)等）。執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令是根據(jù)指令操作碼對(duì)操作數(shù)實(shí)施各種算術(shù)、邏輯及移位操作。對(duì)于結(jié)果地址在內(nèi)存的，還應(yīng)包括一次內(nèi)存的寫操作。對(duì)于轉(zhuǎn)移指令或子程序調(diào)用及返回等指令，應(yīng)對(duì)PC的內(nèi)容進(jìn)行更新?？刂破鞯幕究刂品绞街噶畹姆焙?jiǎn)程度不同，所需要的執(zhí)行時(shí)間也有很大差異。如何根據(jù)具體情況實(shí)施不同的控制，就是控制方式所需要解決的問(wèn)題基本方式同步控制方式異步控制方式準(zhǔn)同步控制方式同步控制方式系統(tǒng)有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘，所有的控制信號(hào)均來(lái)自這個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)同步控制方式又可分為以下幾種定長(zhǎng)指令周期定長(zhǎng)CPU周期變長(zhǎng)CPU周期、定長(zhǎng)節(jié)拍周期折中方式異步控制方式異步控制方式中沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，各部件按自身固有的速度工作，通過(guò)應(yīng)答方式進(jìn)行聯(lián)絡(luò)異步控制相對(duì)于同步要復(fù)雜實(shí)例：內(nèi)存或I/O設(shè)備的Ready信號(hào)準(zhǔn)同步控制方式又稱為聯(lián)合控制方式，是介于同步異步中間的一種折中，或者說(shuō)是異步方式的同步化準(zhǔn)同步方式是CPU進(jìn)行內(nèi)存的讀/寫操作和I/O數(shù)據(jù)傳輸操作通常采用的方式，較好地解決了同步與異步的銜接問(wèn)題組合邏輯控制器的時(shí)序系統(tǒng)指令周期、CPU周期、節(jié)拍周期和節(jié)拍脈沖組合邏輯控制器的時(shí)序產(chǎn)生器微程序控制器的時(shí)序系統(tǒng)與組合邏輯控制器的時(shí)序系統(tǒng)相比，微程序控制器的時(shí)序系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多在微程序控制方式中，是將一條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化為一段有微指令組成的微程序微指令的讀取和執(zhí)行所用的時(shí)間定義為微程序控制器的基本時(shí)序單位，稱為“微周期”微程序控制器的時(shí)序系統(tǒng)模型機(jī)數(shù)據(jù)通路模型機(jī)指令系統(tǒng)尋址字段第3、2、1、0位尋址方式及相關(guān)寄存器0000寄存器尋址AX0001寄存器尋址BX0010寄存器尋址CX0011寄存器尋址DX0100寄存器間接尋址[BP]0101寄存器間接尋址[BX]0110寄存器間接尋址[SI]0111寄存器間接尋址[DI]1000立即尋址，雙字長(zhǎng)指令，第二字為立即數(shù)imm1001未定義1010直接尋址，雙字長(zhǎng)指令，第二字為Addr1011間接尋址，雙字長(zhǎng)指令，第二字為[Addr]1100基址尋址，雙字長(zhǎng)指令，第二字為disp，[BP+disp]1101相對(duì)