計(jì)算機(jī)組成原理--中央處理器CPU2.ppt

1、1,5.2指令周期和時(shí)序發(fā)生器,一、指令周期 1.指令周期的基本概念 (1)什么是指令周期？ (2)為何指令周期不能做時(shí)序的控制單位？,2,(3)指令周期的分段 為了方便進(jìn)行時(shí)序控制，一般將指令周期分成若干個(gè)(不同CPU可能有不同分法)相對(duì)獨(dú)立的操作階段，每個(gè)階段稱一個(gè)CPU周期或主狀態(tài)周期或機(jī)器周期； 其名稱以功能命名 根據(jù)不同CPU的指令系統(tǒng)的復(fù)雜程度不同，可以對(duì)指令周期有不同的階段劃分： 一種分法： 取指周期、間址周期、取操作數(shù)周期、執(zhí)行周期 一種分法：取指周期、執(zhí)行周期、中斷周期 一種分法：取指周期、執(zhí)行周期 一種分法：取指周期、取源操作數(shù)周期、取目的操作數(shù)周期、執(zhí)行周期。,3,(4)

2、節(jié)拍電位 為了描述一個(gè)機(jī)器周期(CPU周期)中各個(gè)信號(hào)相互配合的情況，引入了節(jié)拍電位的概念。在CPU周期周期中有若干個(gè)節(jié)拍電位，節(jié)拍電位具有一定的時(shí)間寬度；,4,(5)節(jié)拍脈沖 每個(gè)節(jié)拍電位中包含若干個(gè)節(jié)拍脈沖，這些節(jié)拍脈沖能夠改變標(biāo)志狀態(tài)，同步節(jié)拍電位的轉(zhuǎn)換;如果沒(méi)有節(jié)拍脈沖，則無(wú)法在不同電位之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也無(wú)法知道什么時(shí)候取指周期開(kāi)始、結(jié)束，什么時(shí)候可以打開(kāi)三態(tài)門，下圖演示了節(jié)拍脈沖、節(jié)拍電位、CPU周期的一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系。,5,6,2.指令周期舉例 這里用2條指令的執(zhí)行來(lái)理解指令周期的概念，以便更好理解指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過(guò)程。 (注：這是一個(gè)非Intel芯片) 一條指令是CLA:(CLe

3、ar AC)即清除AC累加器(實(shí)質(zhì)是一個(gè)寄存器)的值； 例如：執(zhí)行CLA后， AC累加器為0； 另一條指令是ADD指令，是一個(gè)一地址指令，另外一個(gè)操作數(shù)默認(rèn)為AC累加器。 例如：執(zhí)行 ADD 12 表示將內(nèi)存12單元的數(shù)據(jù)與AC累加器的內(nèi)容相加，結(jié)果放在AC累加器中；,7,先看該CPU的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)：,8,1)CLA指令的指令周期 CLA指令是一個(gè)非訪內(nèi)指令，在該CPU的設(shè)計(jì)中，它只需要2個(gè)CPU周期便可以完成其指令周期：取指令周期和執(zhí)行指令周期； 取指令周期要做的三件事； 執(zhí)行指令周期是從指令在指令寄存器IR后直到該指令被執(zhí)行完畢。,9,最初開(kāi)始執(zhí)行前程序的起始地址120 （8進(jìn)制）取指令時(shí)，P

4、C寄存器的內(nèi)容120送入AR(Address Register,地址寄存器)， PC寄存器加1， AR的內(nèi)容120(001010000)經(jīng)過(guò)地址譯碼后，找到AR所指定的單元，該單元的內(nèi)容(指令CLA的指令碼，二進(jìn)制)通過(guò)數(shù)據(jù)線送到DR(data register,數(shù)據(jù)寄存器)，DR的內(nèi)容通過(guò)數(shù)據(jù)總線送到IR;,10,以上是取指令周期，執(zhí)行周期隨即開(kāi)始，指令譯碼器將CLA的指令碼送給操作控制器，在時(shí)序產(chǎn)生器的作用下，操作控制器產(chǎn)生微命令，讓ALU指揮AC清0； 看下圖演示。,11,12,2) ADD指令的指令周期 CLA指令是一個(gè)訪內(nèi)指令，在該CPU的設(shè)計(jì)中，它需要3個(gè)CPU周期便可以完成其指令周期：取指令周期、取操作數(shù)周期和執(zhí)行指令周期；,13,ADD 130 表示 (AC) = (AC)+(130) 即內(nèi)存130單元的數(shù)據(jù)與累加器AC相加后結(jié)果放在累加器AC，當(dāng)指令A(yù)DD 130被送入IR寄存器后，為完成加法還需要把內(nèi)存130單元的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)寄存器，所以還要去取一次數(shù)據(jù)。完整操作如下圖：,14,15,注：CPU執(zhí)行一條