《中央處理機(jī)組織》PPT課件.ppt

1、第6章 中央處理機(jī)組織,6.1CPU的結(jié)構(gòu)與功能 6.2組合邏輯控制與PLA控制 6.3微程序控制,6.1.1 CPU的組成與操作,ALU及所有的CPU寄存器通過(guò)一條公共總線(xiàn)連接起來(lái)，又稱(chēng)內(nèi)部總線(xiàn)。存儲(chǔ)器總線(xiàn)經(jīng)由存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器MDR和存儲(chǔ)器地址寄存器MAR連到CPU。 寄存器R0 到R(n-1)：通用寄存器 寄存器Y和Z：臨時(shí)存儲(chǔ)。 指令寄存器IR和指令譯碼器：,6.1.1 CPU的組成與操作,PC:程序計(jì)數(shù)器，存放即將執(zhí)行的指令地址 IR：指令寄存器，暫時(shí)存放指令代碼 MAR：存儲(chǔ)器地址寄存器，存放訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存時(shí)的地址 MDR：存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器，存放和內(nèi)存之間傳送的數(shù)據(jù) R0R(n-1)：CP

2、U內(nèi)的數(shù)據(jù)寄存器 Y：ALU輸入端的暫存器 Z：ALU輸出端的暫存器 ALU：算術(shù)邏輯單元，完成運(yùn)算 M: 主存，存放指令和數(shù)據(jù),6.1.1 CPU的組成與操作,PC部件控制信號(hào) IR部件控制信號(hào) PC+1,PCout -IRin , IRout MAR部件控制信號(hào) MDR部件控制信號(hào) MARin，MARouT -MDRin，MDRout，D Ri部件控制信號(hào) Rin,Rout Y部件控制信號(hào) Z部件控制信號(hào) Yin，Yout -Zin，Zout ALU部件控制信號(hào) +,-,+1 主存控制信號(hào) RM，WM,例6.1寫(xiě)出指令執(zhí)行的控制信號(hào)序列和操作序列,指令mov R2，R1存放在主存中，完成讀

3、指、分析指令、執(zhí)行指令的過(guò)程 操作序列 取指令：PC-MAR-M-MDR MDR-IR,PC 分析指令：IR-ID 執(zhí)行指令：R1-R2 信號(hào)序列： 取指令：PCout,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D,IRin,PC+1 分析指令：IRout 執(zhí)行指令：R1out,R2in,例6.2寫(xiě)出指令執(zhí)行的控制信號(hào)序列和操作序列,指令mov 20h，R2存放在主存中，完成讀指、分析指令、執(zhí)行指令的過(guò)程 操作序列 取指令：PC-MAR-M-MDR MDR-IR,PC 分析指令：IR-ID 執(zhí)行指令：IR中操作數(shù)部分-MAR-M R2-MDR-M 信號(hào)序列： 取指令：PCo

4、ut,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D,IRin,PC+1 分析指令：IRout 執(zhí)行指令：IRout,MARin,MARout R2out,MDRin,D,MDRout,WM,例6.3寫(xiě)出指令執(zhí)行的控制信號(hào)序列和操作序列,指令A(yù)DD R1，R2存放在主存中，完成讀指、分析指令、執(zhí)行指令的過(guò)程 操作序列 取指令：PC-MAR-M-MDR MDR-IR,PC 分析指令：IR-ID 執(zhí)行指令：R2-Y R1-ALU，Y-ALU, ALU-Z Z-R1 信號(hào)序列： 取指令：PCout,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D,IRin,PC+1

5、 分析指令：IRout 執(zhí)行指令：R2out,Yin R1out,Yout,+,Zin Zout,R1in,例6.4寫(xiě)出指令執(zhí)行的控制信號(hào)序列和操作序列,指令MOV R1，R2存放在主存中，完成讀指、分析指令、執(zhí)行指令的過(guò)程 操作序列 取指令：PC-MAR-M-MDR MDR-IR,PC 分析指令：IR-ID 執(zhí)行指令：R2-MAR-M-MDR MDR-R1 信號(hào)序列： 取指令：PCout,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D,IRin,PC+1 分析指令：IRout 執(zhí)行指令：R2out,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D,R1in,

6、例6.5根據(jù)CPU硬件,完成程序執(zhí)行,已知cpu 組成結(jié)構(gòu)如圖 其中IR為1個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度 已知指令系統(tǒng)中部分指令定義為 mov R0,#data;功能data-R0,編碼6c,data mov R1,R0; 功能(R0)-R1,編碼2c add R1,R0 ;功能R1+R0-R1,編碼0c mov R0,R1;功能R1-(R0),編碼8f,例6.5根據(jù)CPU硬件,完成程序執(zhí)行,下面程序已經(jīng)放在內(nèi)存0單元開(kāi)始部分，pc已置0 mov R0,#7 mov R1,R0 add R1,R0 mov R0,R1 在硬件上完成程序(取指-譯碼-執(zhí)行指令)寫(xiě)出操作序列和控制信號(hào)序列 演示6-1.swf,操作序

7、列和信號(hào)序列,MOV R0，#7 操作序列 取指令 ：PC-MAR-M-MDR MDR-IR,PC 分析指令：IR-ID 執(zhí)行指令：PC-MAR-M-MDR MDR-R0,PC 信號(hào)序列 取指令 ：PCout,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D,IRin,PC+1 分析指令：IRout 執(zhí)行指令：PCout,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D.R0in,PC+1,操作序列和信號(hào)序列,MOV R1，R0 操作序列 取指令 ：PC-MAR-M-MDR MDR-IR,PC 分析指令：IR-ID 執(zhí)行指令：R0-MAR-M M-MDR-R1

8、信號(hào)序列 取指令 ：PCout,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D,IRin,PC+1 分析指令：IRout 執(zhí)行指令：R0out,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D.R1in,操作序列和信號(hào)序列,MOV R1，R0 操作序列 取指令 ：PC-MAR-M-MDR MDR-IR,PC 分析指令：IR-ID 執(zhí)行指令：R0-R1 信號(hào)序列 取指令 ：PCout,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D,IRin,PC+1 分析指令：IRout 執(zhí)行指令：R0out,R1in,操作序列和信號(hào)序列,MOV R0，R1

9、操作序列 取指令 ：PC-MAR-M-MDR MDR-IR,PC 分析指令：IR-ID 執(zhí)行指令：R0-MAR-M R1-MDR-M 信號(hào)序列 取指令 ：PCout,MARin,MARout,RM,MDRin,D MDRout,D,IRin,PC+1 分析指令：IRout 執(zhí)行指令：R0out,MARin,MARout, R1out,MDRin,D,MDRout,D,WM,6.1.3 CPU控制流程,計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理的過(guò)程就是不斷地取指令、分析指令和執(zhí)行指令這樣一個(gè)周而復(fù)始的過(guò)程。 CPU控制流程由以下幾步完成： 取指令：由程序計(jì)數(shù)器(PC)指出當(dāng)前指令地址，通過(guò)執(zhí)行“MAR一(PC)”和“

10、Read”命令，從主存中取出指令。,6.1.3 CPU控制流程,分析指令：或稱(chēng)解釋指令、指令譯碼等。對(duì)取出的指令進(jìn)行分析，指出它執(zhí)行什么操作，產(chǎn)牛相應(yīng)的操作控制信號(hào)。如果參與操作的數(shù)據(jù)在主存中，則還需要形成操作數(shù)地址。 執(zhí)行指令：根據(jù)指令分析得到的“操作命令”和“操作數(shù)地址”，按一定的算法形成相應(yīng)的操作控制命令序列，通過(guò)運(yùn)算器、存儲(chǔ)器及外部設(shè)備的具體執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)每條指令的功能。 對(duì)異常情況和某些請(qǐng)求的處理,CPU控制流程圖,6.1.4控制器的組成,6.1.4控制器的組成,程序計(jì)數(shù)器PC： 又稱(chēng)指令計(jì)數(shù)器或指令指針，在某些機(jī)器中用來(lái)存放正在執(zhí)行的指令地址，大多數(shù)機(jī)器中存放要執(zhí)行的下一條指令的地址

11、指令寄存器IR: 用來(lái)存放現(xiàn)行指令 指令譯碼器: 又稱(chēng)操作碼譯碼器，對(duì)指令寄存器中操作碼部分進(jìn)行分析解釋?zhuān)a(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào) 脈沖源及啟?？刂凭€(xiàn)路: 脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖。啟停線(xiàn)路則是在需要的時(shí)候保證可靠地開(kāi)放或封鎖時(shí)鐘脈沖，控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生與停止，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的啟動(dòng)和停機(jī)。,6.1.4控制器的組成,時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生部件 以時(shí)鐘脈沖為基礎(chǔ)，具體產(chǎn)生不同指令相對(duì)應(yīng)的周期、節(jié)拍、工作脈沖等時(shí)序信號(hào) 操作控制信號(hào)形成部件 綜合時(shí)序信號(hào)、指令譯碼信息、被控功能部件反饋狀態(tài)信號(hào)等，形成不同指令的控制信號(hào)序列 中斷機(jī)構(gòu)：對(duì)異常情況和外來(lái)請(qǐng)求處理 總線(xiàn)控制邏輯：實(shí)現(xiàn)對(duì)總線(xiàn)信息傳輸?shù)?/p>

12、控制,62組合邏輯控制與PLA控制,通過(guò)邏輯電路直接產(chǎn)生控制信號(hào)：基于時(shí)鐘信號(hào)CLK驅(qū)動(dòng)的計(jì)數(shù)器來(lái)控制每個(gè)控制步。 控制步計(jì)數(shù)器內(nèi)容（時(shí)序信號(hào)） 指令寄存器的內(nèi)容 條件碼和其他狀態(tài)標(biāo)志的內(nèi)容,簡(jiǎn)化的組合邏輯控制器,例6.6組合邏輯控制信號(hào)產(chǎn)生電路,Cpu中使Z寄存器輸入門(mén)接通的Zin信號(hào)在以下情況產(chǎn)生：所有指令的T1時(shí)間段，加法指令的T6時(shí)間段，轉(zhuǎn)移指令的T5時(shí)間段。設(shè)計(jì)Zin的控制信號(hào)產(chǎn)生電路 Zin=T1+T6 ADD+T5 BR+,62組合邏輯控制與PLA控制,組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)要用大量的邏輯門(mén)電路，按一定規(guī)則組合成一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生各機(jī)器指令的控制信號(hào)序列，設(shè)計(jì)過(guò)程的步驟 根據(jù)給

13、定CPU結(jié)構(gòu)及指令功能，排列出每條指令的操作控制步序列 確定機(jī)器的狀態(tài)周期、節(jié)拍和工作脈沖 列出每個(gè)操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式。所有操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式組成了編碼器,63微程序控制,微程序控制技術(shù)是通過(guò)類(lèi)似于機(jī)器語(yǔ)言程序的一種方法來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)的。 微程序設(shè)計(jì)的思想給計(jì)算機(jī)控制部件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)帶來(lái)了巨大的影響。它與組合邏輯的控制方法相比，大大減少了控制器的復(fù)雜性和非標(biāo)準(zhǔn)化程度，從而把硬件的用量限制在很小范圍內(nèi)。由于全部機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程都用微程序控制，便提供了很大的靈活性，使得設(shè)計(jì)的變更、修改以及指令系統(tǒng)的擴(kuò)充都成為不太困難的事情。,63微程序控制,由于微程序相對(duì)固定，且通常不放在主存內(nèi)

14、，故有可能利用工作速度較高的ROM存放微程序，從而縮短微程序的運(yùn)行時(shí)間。這是一種固化了的微程序，稱(chēng)為固件。 缺點(diǎn)是比相同或相近半導(dǎo)體技術(shù)的硬布線(xiàn)式控制器（如PLA）慢一些。因此當(dāng)代大部分計(jì)算機(jī)采用硬布線(xiàn)式控制器。,6.3.2 基本概念,1基本術(shù)語(yǔ) 一條指令的功能是通過(guò)執(zhí)行一系列操作控制步完成的。這些控制步中的基本操作被稱(chēng)為微操作。 微命令是微操作的控制信號(hào)，而微操作是微命令的操作過(guò)程。 可以同時(shí)執(zhí)行的一組微操作組成一條微指令，它完成一個(gè)基本運(yùn)算或傳送功能,6.3.2 基本概念,完成指定任務(wù)的微指令序列稱(chēng)為微程序。一條機(jī)器指令其功能可由一段微程序解釋完成。 微程序存儲(chǔ)器(控制存儲(chǔ)器)：存放計(jì)算機(jī)

15、指令系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的所有微程序的一個(gè)專(zhuān)門(mén)存儲(chǔ)器。 微程序控制的基本思想是把機(jī)器指令的每一操作控制步編成一條微指令。每條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一段微程序。當(dāng)執(zhí)行機(jī)器指令時(shí)，只要從控制存儲(chǔ)器中順序取出這些微指令，即可按所要求的次序產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)。,6.3.2 基本概念,2微程序控制器 微程序計(jì)數(shù)器uPC：將根據(jù)指令的內(nèi)容，生成微程序的入口地址放入中。 uPC自動(dòng)增值，依次從微程序存儲(chǔ)器中讀出一條條微指令。 微指令寄存器uIR，存放控制存儲(chǔ)器中的微指令，譯碼后產(chǎn)生一系列微命令。,微程序控制器工作流程(演示6-2.swf),CPU工作就是不斷地取出指令和執(zhí)行指令的過(guò)程，取指令的微操作序列是相同的。微程序控制

16、器的工作流程就是不斷地執(zhí)行取指令的微程序和執(zhí)行相應(yīng)功能指令的微程序。,3微程序控制器工作流程,6.3.3 微指令的格式與編碼,微指令格式大體上可分為兩種：水平型微指令和垂直型微指令. 水平型微指令能最大限度地表示微操作的并行性，但需要使用較長(zhǎng)的代碼，少則幾十位，多則上百位。較長(zhǎng)的代碼能充分利用硬件并行性所帶來(lái)速度上的潛在優(yōu)勢(shì)，也使微程序中所包含的微指令條數(shù)減至最少，所以適用于要求較高速度的場(chǎng)合。但是，一般說(shuō)來(lái)，水平型微指令的碼空間利用率較低，并且編制最佳水平微程序難度較大。,6.3.3 微指令的格式與編碼,垂直型微指令采用短格式，一條微指令只能控制一、二個(gè)微操作，其格式與普通機(jī)器指令相仿，設(shè)有

17、微操作碼字段，由微操作碼確定微指令的功能。它所包含的地址碼用來(lái)指定微操作數(shù)所在的寄存器地址或微指令轉(zhuǎn)移地址，也可表示立即數(shù)或標(biāo)志碼等。采用垂直型微指令編寫(xiě)的微程序稱(chēng)垂直微程序。,6.3.3 微指令的格式與編碼,常用的微命令編碼方法： 1)直接表示法。在微指令的微命令字段中，每個(gè)二進(jìn)制位表示一個(gè)微命令而一條微指令是否發(fā)出某個(gè)微命令則由對(duì)應(yīng)的位是“l(fā)”還是“0”來(lái)確定。很顯然，這種方法直觀、不必譯碼、控制電路簡(jiǎn)單、速度快。但是，通常微命令的個(gè)數(shù)很多，使得微指令字長(zhǎng)多達(dá)幾百位，實(shí)現(xiàn)上非常困難。,6.3.3 微指令的格式與編碼,2)字段直接編碼法: 把微指令中相容的微命令(即在一條微指令中可能同時(shí)出現(xiàn)

18、的微命令)分配在不同字段，而將那些相斥的微命令(即在一條微指令中不可能同時(shí)出現(xiàn)的微命令)組合在一起，編成一個(gè)字段。每個(gè)小字段分別編碼，每個(gè)碼表示一個(gè)微命令。在微命令字段中所包含的小字段數(shù)目，是在一條微指令中最多可同時(shí)發(fā)出微命令的個(gè)數(shù),例6.7對(duì)單總線(xiàn)CPU，采用直接表示法設(shè)計(jì)微指令,CPU中有42個(gè)控制信號(hào)，采用直接表示法，則微指令有42位，每位對(duì)應(yīng)1位控制信號(hào)。 微指令格式為,例6.7對(duì)單總線(xiàn)CPU，采用直接表示法設(shè)計(jì)微指令,指令A(yù)DD R3，R1的微程序?yàn)?例6.8對(duì)單總線(xiàn)CPU，采用編碼法設(shè)計(jì)微指令,42個(gè)控制信號(hào)中大多數(shù)不可能同時(shí)發(fā)生，許多信號(hào)是互斥的，這樣可以把控制信號(hào)分組，那些互斥

19、的分在同一組，在一條微指令中每組只能有1個(gè)操作信號(hào)有效，經(jīng)過(guò)編碼后只有20位了。,例6.9水平型字段編碼微指令示例,計(jì)算機(jī)的微指令中有10個(gè)字段c0-c9,每個(gè)字段可激活的控制信號(hào)如下表, (1) 采用字段直接編碼法,微指令長(zhǎng)度是多少? (2)若改為水平型直接表示,微指令長(zhǎng)度是多少?,例6.9水平型字段編碼微指令示例,(1)每個(gè)字段譯碼后要能控制所有信號(hào),并留1個(gè)碼字表示該字段的任何信號(hào)都不激活,則字段長(zhǎng)度n：2n字段控制的信號(hào)數(shù) 3+3+2+4+4+5+3+1+4+5=34 （2）水平型直接表示法，則每個(gè)控制信號(hào)占微指令中1位，所以 4+4+3+11+9+16+7+1+8+22=85,例6.

20、10字段編碼微指令示例,某計(jì)算機(jī)有5條微指令，每條微指令發(fā)出的控制信號(hào)如表，設(shè)計(jì)微指令編碼，使微指令長(zhǎng)度最短,例6.10字段編碼微指令示例,微指令編碼最短，則要找出相同、相容、相斥的信號(hào) 相同信號(hào)：a=f,b=g,c=h,d=i,e=j 相斥信號(hào)：(a,b,c,d,e),(f,g,h,i,j) 格式：A|B|C|D|E 5位 A=0,a,f信號(hào)無(wú)效，A=1,a,f信號(hào)同時(shí)有效 B=0, b,g信號(hào)無(wú)效, B=1, b,g信號(hào)同時(shí)有效 C=0,c,h信號(hào)無(wú)效, C=1,c,h信號(hào)同時(shí)有效 D=0, d,i信號(hào)無(wú)效, D=1,d,i信號(hào)同時(shí)有效 E=0, e,j信號(hào)無(wú)效 , E =1,e,j信號(hào)同

21、時(shí)有效 對(duì)ABCDE5個(gè)信號(hào)進(jìn)行編碼 X(3位） 000：A有效 001：B有效 010：C有效 011：D有效 100：E有效 101：都無(wú)效,例6.11字段編碼微指令示例,某計(jì)算機(jī)有5條微指令，每條微指令發(fā)出的控制信號(hào)如表，設(shè)計(jì)微指令編碼，使微指令長(zhǎng)度最短,例6.11字段編碼微指令示例,相同信號(hào)：c=g=i,b=h, 相斥信號(hào)：(b,i),(e,j),(b,c),(i,f),(g,d),(b,g),(b,j) 微指令格式： a|(b/h)(c/g/i)|d|ej|f| a|bc|gd|ej|if,微指令地址生成,微指令地址生成是指如何獲得下一條微指令的地址.可以有3種方法 由IR指令寄存器

22、中的代碼確定對(duì)應(yīng)微程序的起始地址 由前一微指令地址順序產(chǎn)生下一順序地址 根據(jù)當(dāng)前微指令、條件標(biāo)志、指令寄存器內(nèi)容，產(chǎn)生下一微指令的地址,微指令地址生成,常用的微指令地址生成技術(shù)有 計(jì)數(shù)器法：順序產(chǎn)生微指令地址。uPC有加1功能。 下址字段法：在微指令中設(shè)置一個(gè)專(zhuān)門(mén)的地址字段用以指出下一條微指令的地址。,例6.12根據(jù)CPU硬件和指令系統(tǒng)，設(shè)計(jì)微程序控制器,在單總線(xiàn)CPU中，用一條總線(xiàn)連接IR,MAR,MDR,R0R7,ALU輸入寄存器為Y,輸出寄存器為Z。 計(jì)算機(jī)指令有 ADD R3,R1,R2 ;R3R1+R2 LOAD MEM,R1 ; R1 MEM STORE MEM,R1 ; MEM R1 JMP #A ;PCPC+A 已知四條指令的操作碼為00,01,10,11,ADD R3,R1,R2指令的控制序列,T1:PCOUT,MARIN，PC+1,READ T2:MDROUT,IRIN, T3:R1OUT,YIN, T4:R2OUT,ZIN,ADD T5:ZOUT,R3IN,LOAD MEM,R1控制序列,T1:PCOUT,MARIN,PC+1,READ T2