計(jì)算機(jī)組成原理教案第五章中央處理器

第五章中央處理器

5.1CPU的組成和功能

5.1.1CPU器的功能

CPU它具有如下四方面的基本功能:

★指令控制

★操作控制

★時(shí)間控制

★數(shù)據(jù)加工

5.L2CPU的基本組成和5.1.3CPU中的主要寄存器

CPU的基本部分由運(yùn)算器、cache和控制器三大部分組成。

控制器

由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作

控制器組成，它是發(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。它的主要功能有：

(1)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；

(2)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；

(3)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。

運(yùn)算器

由算術(shù)邏輯單元(ALU)、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)

條件寄存器組成，它是數(shù)據(jù)加工處理部件。相對(duì)控制器而言，運(yùn)算

器接受控制器的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運(yùn)算器所進(jìn)行的全部操作都是

由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮的，所以它是執(zhí)行部件。運(yùn)算器有

兩個(gè)主要功能：

(1)執(zhí)行所有的算術(shù)運(yùn)算；

⑵執(zhí)行所有的邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試，如零值測(cè)試或兩個(gè)值的

比較。

CPU模型參看

5.1.4操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器

數(shù)據(jù)通路：許多寄存器之間傳送信息的通路

時(shí)序產(chǎn)生器：產(chǎn)生電平和脈沖，規(guī)定指令執(zhí)行時(shí)間等。

操作控制器：就是根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各

種操作控制信號(hào)，以便正確地建立數(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(jì)方法不同，操作控制器可分為時(shí)序邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型、

時(shí)序邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型三種。

1.硬布線控制器

是采用時(shí)序邏輯技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的;

2.微程序控制器

是采用存儲(chǔ)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的；

3.前兩種方式的組合

5.2指令周期

5.2.1指令周期的基本概念

指令周期CPU從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行這條指令的時(shí)間

總和。

CPU周期又稱機(jī)器周期，CPU訪問(wèn)一次內(nèi)存所花的時(shí)間較

長(zhǎng)，因此用從內(nèi)存讀取一條指令字的最短時(shí)間來(lái)定義。

時(shí)鐘周期通常稱為節(jié)拍脈沖或T周期。一個(gè)CPU周期包含

若干個(gè)時(shí)鐘周期。

下圖示出了采用定長(zhǎng)CPU周期的指令周期示意圖。

T周期

—Tl-T2T3T4T1T2T3T4

CPU周期-CPU周期------>

（取指令）《執(zhí)行指令》

指令周期

5.2.2-5.2.5指令周期

(1)CLA

(2)ADD30

(3)STA40

(4)NOP

(5)JMP

我們把前面的五條典型指令取指和執(zhí)行過(guò)程

5.2.6用方框圖語(yǔ)言表示指令周期

在進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用方框圖語(yǔ)言來(lái)表示一條指令的

指令周期。

方框代表一個(gè)CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作

或某種控制操作。

菱形通常用來(lái)表示某種判別或測(cè)試，不過(guò)時(shí)間上它依附于緊

接它的前面一個(gè)方框的CPU周期，而不單獨(dú)占用一個(gè)CPU周期

我們把前面的五條典型指令加以歸納,

用方框圖語(yǔ)言表示的指令周期

⑴“ADDR2,RO”指令完成(R0)+(R2)一RO的功能操作，

畫出其指令周期流程圖，假設(shè)該指令的地址已放入PC中。

并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。

(2)"SUBRI,R3”指令完成(R3)-(R1)-R3的操作，畫出其

指令期流程圖，并列出相應(yīng)的微操作控制信號(hào)序列。

LR3->Y「一R3°,G,Yi

R昌|Rio,G,Xi

R3-R1->R3-3GjR3i

(a)加法⑻減法

5.3時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

5.3.1時(shí)序信號(hào)的作用和體制

用二進(jìn)制碼表示的指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里，那么CPU

是怎樣識(shí)別出它們是數(shù)據(jù)還是指令呢？

電位脈沖

總之，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。

(1)硬布線控制器中，時(shí)序信號(hào)往往采用主狀態(tài)周期-節(jié)拍

電位-節(jié)拍脈沖三級(jí)體制。

(2)在微程序控制器中，時(shí)序信號(hào)比較簡(jiǎn)單，一般采用節(jié)

拍電位■節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。

5.3.2時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器

微程序控制器中使用的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器由

時(shí)鐘源、環(huán)形脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀寫時(shí)序譯

碼邏輯、啟?？刂七壿嫷炔糠纸M成。

中E2|_|3|_I4LJFKUR_JFl_

Ct1

C

2I11I

C3|1

c

411i1

RD'

RD|1

WE'

WE1I1

Tt1

T

2111ii1

T31111II

T41

V---------------CPU周期--------AH--------CPU周期--------*

5.3.3控制方式

控制方式即控制不同操作序列時(shí)序信號(hào)的方法。

常用的有同步控制、異步控制、聯(lián)合控制三種方式，其

實(shí)質(zhì)反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式。

1.同步控制方式

在任何情況下，已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)和

時(shí)鐘周期數(shù)都固定不變。根據(jù)不同情況，同步控制方式可選取

如下方案：

(1)采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。

(2)采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。

(3)中央控制與局部控制結(jié)合。

2.異步控制方式

其特點(diǎn)是：每條指令、每個(gè)操作控制信號(hào)需要多少時(shí)

間就占用多少時(shí)間。這意味著每條指令的指令周期可由多

少不等的機(jī)器周期數(shù)組成；也可以是當(dāng)控制器發(fā)出某一操

作控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成操作后發(fā)“回答”信號(hào)

,再開(kāi)始新的操作。顯然，用這種方式形成的操作控制序

列沒(méi)有固定的CPU周期數(shù)（節(jié)拍電位）或嚴(yán)格的時(shí)鐘周期（節(jié)

拍脈沖）與之同步。

3,聯(lián)合控制方式

此為同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。

情況（1）大部分操作序列安排在固定的機(jī)器周期中，對(duì)某些

時(shí)間難以確定的操作則以執(zhí)行部件的“回答”信號(hào)作為本次操

彳？的幺吉束^.

情況”；2）’機(jī)器周期的節(jié)拍脈沖數(shù)固定，但是各條指令周期的

機(jī)器周期數(shù)不固定。

5.4微程序控制器

5.4.1微命令和微操作

微命令控制部件通過(guò)控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令。

微操作執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作。

簡(jiǎn)單運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路

5.4.2微指令和微程序

微指令在機(jī)器的一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能

的微命令的組合。

微程序?qū)崿F(xiàn)一條機(jī)器指令功能的許多條微指令組成的序列。

具體的微指令結(jié)構(gòu)

林

電

信

號(hào)

nn

uu

沖

-■W林

一

d號(hào)

—

lHs

LDRjLDR2LDR3

5.4.3微程序控制器原理框圖

它主要由控制存儲(chǔ)器、微指令寄存器和地址轉(zhuǎn)移邏輯三大

部分組成。

微程序控制器原理框圖

讀出一條微指令并執(zhí)行微指令的時(shí)間總和稱為一個(gè)微指令周期。

微指令周期就是只讀存儲(chǔ)器的工作周期。

控制存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)就是微指令字的長(zhǎng)度，其存儲(chǔ)容量視機(jī)器指

令系統(tǒng)而定，即取決于微程序的數(shù)量

5.4.4微程序舉例

我們舉“十進(jìn)制加法”指令為例，具體看一看微程序控制的過(guò)

程。

5.4.5CPU周期與微指令周期的關(guān)系

在串行方式的微程序控制器中:

微指令周期=讀出微指令的時(shí)間+執(zhí)行該條微指令的時(shí)間

下圖示出了某小型機(jī)中CPU周期與微指令周期的時(shí)間關(guān)系:

?讀微

—執(zhí)行微指令----------微指令周期---------指令

T1T2T3T4T1T2T3T4

——CPU周期----------CFU周期

機(jī)器指令與微指令的總結(jié)

1.一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，這個(gè)微程序是由若干條微指

令序列組成的。因此，一條機(jī)器指令的功能是由若干條微指

令組成的序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)言之，一條機(jī)器指令所完成的操

作劃分成若干條微指令來(lái)完成，由微指令進(jìn)行解釋和執(zhí)行。

2.CAI演示

3.我們?cè)谥v述本章5.2節(jié)時(shí)，曾講述了指令與機(jī)器周期概念,

并歸納了五條典型指令的指令周期，并演示了這五條指令的

微程序流程圖，每一個(gè)CPU周期就對(duì)應(yīng)一條微指令。這就

告訴我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)微程序，也將使我們進(jìn)一步體驗(yàn)到機(jī)器

指令與微指令的關(guān)系。

【例2】設(shè)某計(jì)算機(jī)運(yùn)算器框圖如圖(a)所示，其中ALU為16位的

加法器(高電平工作)，SA,SB為16位暫存器。4個(gè)通用寄存器由D

觸發(fā)器組成，Q端輸出，其讀、寫控制功能見(jiàn)下表。

RRAORA1選擇WWAOWA1選擇

100R0100R0

101R1101R1

110R2110R2

111R3111R3

0**不讀出0**不寫入

16位數(shù)據(jù)總線

ALU

(a)

微指令格式如下(未考慮順序控制字段):

WAWA

RAQRAJ0RReset

WLDSALDStR)SJRL)-ALUSJRL)-ALU

i

要求：用二進(jìn)制代碼寫出如下指令的微程序:

(1)“ADDRO,R1”指令,即(RO)+(R1)-R1

(2)“SUBR2,R3”指令,即(R3)-(R2)一R3

(3)“MOVR2,R3”指令，即(R2)一(R3)

MOV

R27sA

8

-CF7SE-

SA+SB->R3

T

5.5微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

5.5.1微命令編碼

微命令編碼對(duì)微指令中的操作控制字段采用的表示方法。通常

有以下三種方法：

1,直接表示法

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，其輸出直接用于控制。

缺點(diǎn)是微指令字較長(zhǎng)，因而使控制存儲(chǔ)器容量較大。

2.編碼表不法

微命令P1P2Pn

Il…LJ卜］

譯碼逐碼

字段1字段2...........P字段下一個(gè)微地址

3.混合表示法

這種方法是把直接表示法與字段編碼法混合使用，以便能綜

合考慮指令字長(zhǎng)、靈活性、執(zhí)行微程序速度等方面的要求。

5.5.2微地址的形成方法

產(chǎn)生微地址有兩種方法：

1.計(jì)數(shù)器方式

這種方法同用程序計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生機(jī)器指令地址的方法相類似

在順序執(zhí)行微指令時(shí)微地址寄存器通常改為計(jì)數(shù)器

在非順序執(zhí)行微指令時(shí)，必須通過(guò)轉(zhuǎn)移方式

2.多路轉(zhuǎn)移方式

O在多路轉(zhuǎn)移方式中，當(dāng)微程序不產(chǎn)生分支時(shí)，后繼

微地直接由微指令的順序控制字段給出；

3當(dāng)微程序出現(xiàn)分支時(shí)，有若干“后選”微地址可供選擇：

即按順序控制字段的“判別測(cè)試”標(biāo)志和“狀態(tài)條件”信息

來(lái)選擇其中一個(gè)微地址。“判別測(cè)試”有n位標(biāo)志，可實(shí)現(xiàn)

微程序2的n次方路轉(zhuǎn)移，涉及微地址寄存器的n位。

【例3】微地址寄存器有6位((iA5-ptA0),當(dāng)需要修改其內(nèi)容時(shí)，可

通過(guò)某一位觸發(fā)器的強(qiáng)置端S將其置“1”?，F(xiàn)有三種情況：

⑴執(zhí)行“取指”微指令后，微程序按IR的0P字段(IR3-IR0)進(jìn)行16

路分支；

⑵執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程序時(shí)，按進(jìn)位標(biāo)志C的狀態(tài)進(jìn)行2路分支;

(3)執(zhí)行控制臺(tái)指令微程序時(shí)，按IR4,IR5的狀態(tài)進(jìn)行4路分支。

請(qǐng)按多路轉(zhuǎn)移方法設(shè)計(jì)微地址轉(zhuǎn)移邏輯。

(l)fflPl和IR3-IR0修改piA3-piA0；

(2)用P2和C修改(1A0；

(3)用P3和IR5,IR4修改(iA5,RVL

另外還要考慮時(shí)間因素T4(假設(shè)CPU周期最后一個(gè)節(jié)拍脈沖)，故

轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下：

(1A5=P3IR5T4

(1A4=P3IR4T4

(1A3=P1IR3T4

piA2=PlIR2T4

piAl=Pl-IRl-T4

(1AO=P1IROT4+P2CT4

5.5.3微指令格式

微指令的格式大體分成兩類：水平型微指令和垂直型微指令。

1?水平型微指令

一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令的微指令，叫

做水平型微指令。其一般格式如下：

控制字段判別測(cè)試字段下地址字段

按照控制字段的編碼方法不同，水平型微指令又分為三種:

I.全水平型（不譯法）微指令

II.字段譯碼法水平型微指令

III.直接和譯碼相混合的水平型微指令。

2.垂直型微指令

微指令中設(shè)置微操作碼字段，采用微操作碼編譯法，由

微操作碼規(guī)定微指令的功能，稱為垂直型微指令。

下面舉4條垂直型微指令的微指令格式加以說(shuō)明。設(shè)微指

令字長(zhǎng)為16位，微操作碼3位。

(1)寄存器-寄存器傳送型微指令

151312873/0

000源濟(jì)行器編址目標(biāo)寄存器編址其他

(2)運(yùn)算控制型微指令

001左輸入源編址右輸入源編址ALU

(3)訪問(wèn)主存微指令

1513128732111

010寄存器編址存儲(chǔ)器編址速寫其他

(4)條件轉(zhuǎn)移微指令

151312：43：0

0011測(cè)試條件

3?水平型微指令與垂直型微指令的比較

⑴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

指令則較差。

(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，有微指令字較長(zhǎng)而微程序

短的特點(diǎn)。垂直型微指令則相反。

(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(lái)說(shuō)，比較容易掌握。

5.5.4動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)

微程序設(shè)計(jì)技術(shù)有靜態(tài)微程序設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)之分。

。:筋強(qiáng)做程序度計(jì)

西窠用EP自6陶柵蜩鞋輸麗

裱指綠熟禳耀珍果頷妻樹(shù)器的指令系統(tǒng).這種技術(shù)又稱

為仿真其他機(jī)器指令系統(tǒng)

5.8.1并行處理技術(shù)

并行性的兩種含義:

同時(shí)性指兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生；

并發(fā)性指兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。

計(jì)算機(jī)的并行處理技術(shù)概括起來(lái)主要有以下三種形式:

1.時(shí)間并行

2.空間并行

3.時(shí)間并行+空間并行

5.8.2流水CPU的結(jié)構(gòu)

其中CPU按流水線方式組織，通常由三部分組成：指令部件、指令

隊(duì)列、執(zhí)行部件。

春

霞笠件交叉存讀器

系

取指令

指令在四

計(jì)算掾作藪上也

栗址

富取母作數(shù)

央

FIFO

B處指?令取歹U

執(zhí)彳亍的件

《指令工》舞森累盤運(yùn)

2.流水CPU的時(shí)空?qǐng)D

圖(a)表示流水CPU中一個(gè)指令周期的任務(wù)分解。

SIS2S3S4

入出

(a)一個(gè)指令流水線過(guò)程段

or*自匕

圖(d)表示超標(biāo)量流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空?qǐng)D。

(d)超標(biāo)量流水線時(shí)空?qǐng)D

3.流水線分類

指令流水線指指令步驟的并行。將指令流的處理過(guò)程劃分

為取指令、譯碼、執(zhí)行、寫回等幾個(gè)并行處理的過(guò)程段。

算術(shù)流水線指運(yùn)算操作步驟的并行。

處理機(jī)流水線又稱為宏流水線，是指程序步驟的并行。

5.8.3流水線中的主要問(wèn)題

流水過(guò)程中通常會(huì)出現(xiàn)以下三種相關(guān)沖突，使流水線斷流。

1.資源相關(guān)

資源相關(guān)是指多條指令進(jìn)入流水線后在同一機(jī)器時(shí)鐘周

期內(nèi)爭(zhēng)用同一個(gè)功能部件所發(fā)生的沖突。

7^怦1I34簧8

I!(Load)IFIDEAra

12IFIDEXMEM岫

13IFIDEXJEM

1■(

14IFII'EXMEMWB

15IFIDEXMEM

2.數(shù)據(jù)相關(guān)

在一個(gè)程序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行完畢后，才能

執(zhí)行后一條指令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)的。

(1)II:ADDRI,R2,R3；(R2)+(R3)->R1

12:SUBR4,RI,R5；(RI)-(R5)->R4

RAW相關(guān)

(2)13:STAM(x),R3；(R3)->M(x),M(x)是存儲(chǔ)器單元

14:ADDR3，R4,R5；(R4)+(R5)->R3

WAR相關(guān)

(3)15:MULR3，RI,R2；(R1)X(R2)->R3

16:ADDR3,R4,R5；(R4)+(R5)->R3

WAW

解決數(shù)據(jù)相關(guān)沖突的辦法:

在流水CPU的運(yùn)算器中設(shè)置若干運(yùn)算結(jié)果緩沖寄存器，暫時(shí)

保留運(yùn)算結(jié)果，以便于后繼指令直接使用，這稱為“向前”

或定向傳送技術(shù)。

3.控制相關(guān)

控制相關(guān)沖突是由轉(zhuǎn)移指令引起的。當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，

依據(jù)轉(zhuǎn)移條件的產(chǎn)生結(jié)果，可能為順序取下條指令；也可

能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令，從而使流水線發(fā)生斷流。

為了減小轉(zhuǎn)移指令對(duì)流水線性能的影響，常用以下兩種轉(zhuǎn)移處

理技術(shù)：

延