《中央处理部件CPU》课件.ppt
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1、第第6 6章中央处理部件(章中央处理部件(CPUCPU)6.1 6.1 计算机的硬件系统计算机的硬件系统6.2 6.2 控制器的组成控制器的组成6.3 6.3 微程序控制计算机的基本工作原理微程序控制计算机的基本工作原理6.4 6.4 微程序设计技术微程序设计技术6.5 6.5 硬布线控制的计算机硬布线控制的计算机6.6 6.6 控制器的控制方式控制器的控制方式6.7 6.7 流水线工作原理流水线工作原理6.8 CPU6.8 CPU举例举例思考题思考题基本知识点:基本知识点:CPUCPU的功能、组成;指令执行的周期、时序、控制方法;指的功能、组成;指令执行的周期、时序、控制方法;指令执行的流程
2、图极为操作序列;组合逻辑控制器的设计方法;微令执行的流程图极为操作序列;组合逻辑控制器的设计方法;微程序控制器的有关概念,微命令的编码方法,微地址的设计技术程序控制器的有关概念,微命令的编码方法,微地址的设计技术及微程序控制器的设计过程;流水线的有关概念;及微程序控制器的设计过程;流水线的有关概念;CPUCPU的系统结构。的系统结构。重点:重点:指令执行的流程图及相应的微操作序列,微命令的分段直接指令执行的流程图及相应的微操作序列,微命令的分段直接编码,微地址的设计技术。编码,微地址的设计技术。难点:难点:指令执行的流程及微操作流程,微地址的安排,流水线的工指令执行的流程及微操作流程,微地址的
3、安排,流水线的工作原理作原理本章主要讲述本章主要讲述CPUCPU的组成原理,通过本章的学习掌握在计算机的组成原理,通过本章的学习掌握在计算机运行过程中各个硬件部件的作用;了解运行过程中各个硬件部件的作用;了解CPUCPU中各个部件的操作中各个部件的操作过程及其实现的方法。过程及其实现的方法。重点讲述程序是如何执行的;计算机怎样实现各条指令的功重点讲述程序是如何执行的;计算机怎样实现各条指令的功能;如何保证逐条指令连续的执行过程。以及控制计算机运能;如何保证逐条指令连续的执行过程。以及控制计算机运行的硬件部件,称之为控制器的部件。行的硬件部件,称之为控制器的部件。计算机过程描述如下:计算机过程描
4、述如下:加电加电 产生产生resetreset信号信号 执行程序执行程序 停机停机 停电停电6.16.1计算机的硬件系统计算机的硬件系统计算机的中央处理机由下述两种方法实现:计算机的中央处理机由下述两种方法实现:(1)(1)采用半导体公司采用半导体公司(工厂工厂)生产的微处理器构成通用的或专用的计算机系生产的微处理器构成通用的或专用的计算机系统以及工作站等。当前微处理器芯片已从统以及工作站等。当前微处理器芯片已从1616位,位,3232位发展到位发展到6464位结构。位结构。(2)(2)一些计算机公司采用自行设计制造的芯片来构成大、中、小型计算机一些计算机公司采用自行设计制造的芯片来构成大、中
5、、小型计算机的的CPUCPU。例如,。例如,IBMIBM公司和公司和DECDEC公司就是这样做的。随着用户对开放系统兴公司就是这样做的。随着用户对开放系统兴趣的增长,这两家公司也逐步走向开放。例如趣的增长,这两家公司也逐步走向开放。例如IBMIBM公司也选用公司也选用Intel8086Intel8086构成微机。构成微机。随着随着VLSIVLSI的出现和发展,芯片集成度显著提高,价格不断下降,从而的出现和发展,芯片集成度显著提高,价格不断下降,从而提高了计算机的性能价格比,使得过去在大、中型计算机中才采用的硬件提高了计算机的性能价格比,使得过去在大、中型计算机中才采用的硬件技术技术(例如,流水
6、线技术、并行处理技术、高速缓冲存储器例如,流水线技术、并行处理技术、高速缓冲存储器(Cache)(Cache)、虚拟、虚拟存储器等存储器等),下移到小型和微型计算机系统中来,因而使大、中、小、微,下移到小型和微型计算机系统中来,因而使大、中、小、微型计算机的分界面不断发生变化,界限随时代而趋向消失。型计算机的分界面不断发生变化,界限随时代而趋向消失。一、一、Inter80386Inter80386微机系统微机系统1 1、Inter80386Inter80386微机系统微机系统图中各个部件的主要功能如下:图中各个部件的主要功能如下:(1 1)8038680386微处理器:是系统中主要的处理、控制
7、部件,从存储器中取微处理器:是系统中主要的处理、控制部件,从存储器中取出的指令主要在出的指令主要在8038680386中处理。中处理。(2 2)8038480384时钟发生器:机器加电时,首先由它产生整机复位信号时钟发生器:机器加电时,首先由它产生整机复位信号(reset)(reset),使计算机各个部件处于初始状态,使计算机各个部件处于初始状态(reset(reset作用时封锁计算机一切作用时封锁计算机一切其他动作其他动作),这样可防止加电时,由于寄存器处于,这样可防止加电时,由于寄存器处于“不定不定”状态而引起计状态而引起计算机的不可预估的操作。算机的不可预估的操作。(3 3)80387
8、80387协处理器:扩充了协处理器:扩充了8038680386指令系统,主要完成浮点运算和高指令系统,主要完成浮点运算和高精度整数运算。精度整数运算。8038680386自动将取得的协处理器指令传送给自动将取得的协处理器指令传送给8038780387。8038780387的的数据线为数据线为3232位。位。(4 4)总线控制逻辑:)总线控制逻辑:8038680386通过总线与存储器、通过总线与存储器、I IO O设备交换信息,相设备交换信息,相互连接情况在互连接情况在8038680386结构中讲述。结构中讲述。(5 5)存储器与输入输出系统:存放数据、指令以及完成输入输出操作的)存储器与输入输
9、出系统:存放数据、指令以及完成输入输出操作的系统。系统。(6 6)DMA DMA控制器及中断控制器:控制器及中断控制器:(7 7)“准备好准备好”(ready)”(ready)逻辑:逻辑:二、二、8038680386结构及外部连线结构及外部连线 Intel 80386Intel 80386包括指令部件、执行部件和存储管理部件等。包括指令部件、执行部件和存储管理部件等。指令部件完成取指及指令译码功能,并产生控制信号;执行部件指令部件完成取指及指令译码功能,并产生控制信号;执行部件包括包括ALUALU、乘法部件、寄存器组等;存储管理部件用来确定存储器、乘法部件、寄存器组等;存储管理部件用来确定存储
10、器地址。地址。6.2 6.2 控制器的组成控制器的组成一、控制器的功能一、控制器的功能 控制器的作用是控制程序的执行,它必须具有以下基本功能:控制器的作用是控制程序的执行,它必须具有以下基本功能:1 1、取指令:发指令地址及控制信号,从程序入口取出指令。、取指令:发指令地址及控制信号,从程序入口取出指令。2 2、分析指令:又称指令译码。对当前取得指令进行分析,指出该、分析指令:又称指令译码。对当前取得指令进行分析,指出该 指令完成怎样的功能,并产生相应的操作控制命令指令完成怎样的功能,并产生相应的操作控制命令 3 3、执行指令:根据分析指令产生的、执行指令:根据分析指令产生的“操作命令操作命令
11、”和操作数地址形和操作数地址形成成 相应的操作控制信号序列,通过相应的操作控制信号序列,通过CPUCPU及输入输出设备的执行,实及输入输出设备的执行,实 现每条指令的功能。现每条指令的功能。4 4、控制程序和数据的输入与结果输出、控制程序和数据的输入与结果输出 5 5、对异常情况和某些请求的处理、对异常情况和某些请求的处理 二、控制器的组成二、控制器的组成 1 1、程序计数器(、程序计数器(PCPC):):指令地址寄存器,指令地址寄存器,在某些计算机中用来存放当在某些计算机中用来存放当 前正在执行的指令地址;而在另一些计算机中则用来存放即将要执行前正在执行的指令地址;而在另一些计算机中则用来存
12、放即将要执行 的下一条指令地址的下一条指令地址。2 2、指令寄存器(、指令寄存器(IRIR):):存放当前执行的指令,以便在指令执行过程中,存放当前执行的指令,以便在指令执行过程中,控制完成一条指令的全部功能。控制完成一条指令的全部功能。3 3、地址寄存器(、地址寄存器(AR)AR):存放当前访问内存的地址。存放当前访问内存的地址。4 4、数据寄存器(、数据寄存器(DR)DR):暂存由内存读出或读入的指令或数据。:暂存由内存读出或读入的指令或数据。5 5、指令译码器或操作码译码器:、指令译码器或操作码译码器:对指令寄存器的操作码进行分析解释,对指令寄存器的操作码进行分析解释,产生相应的控制信号
13、。产生相应的控制信号。6 6、脉冲源及启停信号:、脉冲源及启停信号:时钟脉冲是机器周期和工作脉冲的基准信号,时钟脉冲是机器周期和工作脉冲的基准信号,启停信号保证可靠的送出或封锁时钟脉冲,控制时序信号的发生或停止启停信号保证可靠的送出或封锁时钟脉冲,控制时序信号的发生或停止 ,从而起动机器工作或停机。,从而起动机器工作或停机。7 7、时序控制信号形成部件、时序控制信号形成部件控制器基本组成框图控制器基本组成框图三、指令执行过程三、指令执行过程 指令格式如下:实现(指令格式如下:实现(rs)+(rs1+diap)(rd)1 1、从存储器中取指令,送入到指令寄存器中,并进行操作码译码、从存储器中取指
14、令,送入到指令寄存器中,并进行操作码译码 (分析指令),程序计数器加(分析指令),程序计数器加1 1,为下一条指令作准备。,为下一条指令作准备。相应的控制信号:相应的控制信号:2 2、计算数据地址,将计算得到的有效地址送地址寄存器、计算数据地址,将计算得到的有效地址送地址寄存器ARAR。相应的控制信号:相应的控制信号:3 3、到存储器中取数:、到存储器中取数:相应的控制信号相应的控制信号 4 4、进行加法运算,结果送寄存器、进行加法运算,结果送寄存器AXAX中,并根据结果置状位中,并根据结果置状位N,Z,V,CN,Z,V,C 操作码操作码rs,rdrs1imm(imm(或或diap)diap)
15、运算器(实现加法的运算器框图)运算器(实现加法的运算器框图)6.36.3微程序控制计算机的基本工作原理微程序控制计算机的基本工作原理一、微程序控制的基本概念:一、微程序控制的基本概念:1 1、微指令:、微指令:将由同时发出控制信号所执行的一组微操作称为微指令。它是将由同时发出控制信号所执行的一组微操作称为微指令。它是 若干个微命令的组合,将一条指令分成若干条微指令,按次序执若干个微命令的组合,将一条指令分成若干条微指令,按次序执 行这些微指令,就可以实现指令的功能。行这些微指令,就可以实现指令的功能。2 2、微程序与机器语言程序:、微程序与机器语言程序:微程序:计算机的程序由指令序列构成。而计
16、算机每条指令的功能均由微微程序:计算机的程序由指令序列构成。而计算机每条指令的功能均由微 指令序列解释完成,这些微指令序列的集合称微程序。放在指令序列解释完成,这些微指令序列的集合称微程序。放在CPUCPU 内部的内部的ROMROM中。中。机器语言程序:一系列指令的有序集合成为机器语言程序。放在机器语言程序:一系列指令的有序集合成为机器语言程序。放在CPUCPU外的外的 RAM RAM中。中。3 3、控制存储器:、控制存储器:微程序是存放在控制存储器中,执行一条指令实际上就是微程序是存放在控制存储器中,执行一条指令实际上就是 执行一段存放在控制存储器中地微程序,控制存储器的字执行一段存放在控制
17、存储器中地微程序,控制存储器的字 长比机器字长要长。在长比机器字长要长。在CPUCPU内部,用内部,用ROMROM实现。实现。执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。二、实现微程序控制的基本原理二、实现微程序控制的基本原理1 1、控制信号、控制信号 仍以执行一条加法指令为例,它由四条微指令解释执行,一仍以执行一条加法指令为例,它由四条微指令解释执行,一条微指令中的所有控制信号是同时发出的。每条微指令所需的控条微指令中的所有控制信号是同时发出的。每条微指令所需的控制信号如下:制信号如下:(1)(1)取指微指令取指微指令
18、指令地址送地址总线:指令地址送地址总线:PCAB(1)PCAB(1)发访存控制命令:发访存控制命令:ADS(21)ADS(21),M MIOIO1(22)1(22),W WR R0(23)0(23)。从存。从存 储器取指令送数据总线。储器取指令送数据总线。指令送指令寄存器:指令送指令寄存器:DBIR(5)DBIR(5)程序计数器程序计数器+1+1:PC+1(3)PC+1(3)(2)(2)计算地址微指令计算地址微指令 取两个源操作数取两个源操作数(计算地址用计算地址用):rs1GR(8)rs1GR(8),(rs1)ALU(10)(rs1)ALU(10),dispALU(4)dispALU(4)。
19、加法运算:加法运算:“+”(13)“+”(13)。有效地址送地址寄存器:有效地址送地址寄存器:ALUAR(19)ALUAR(19)。(3)(3)取数微指令取数微指令 数据地址送地址总线:数据地址送地址总线:ARAB(20)ARAB(20)。发访存控制命令:发访存控制命令:ADS(21)ADS(21),M MIO(22)IO(22),W/R(23)W/R(23)。由存储器将。由存储器将 数据送数据总线数据送数据总线DBDB。数据送数据寄存器:数据送数据寄存器:DBDR(6)DBDR(6)(4)(4)加法运算和送结果微指令加法运算和送结果微指令 两源操作数送两源操作数送ALUALU:rsGR(9)
20、rsGR(9),(rs)ALU(11)(rs)ALU(11);DRALU(12)DRALU(12)。加法运算:加法运算:“+”(13)“+”(13)送结果:送结果:ALUGR(17)ALUGR(17)加法指令的微指令编码加法指令的微指令编码 微程序流程图举例微程序流程图举例2 2 微程序控制器微程序控制器6.4 6.4 微程序设计技术微程序设计技术 在这节中主要考虑三个方面的内容:在这节中主要考虑三个方面的内容:(1 1)如何缩短微指令字长)如何缩短微指令字长 (2 2)如何减少程序长度)如何减少程序长度 (3 3)如何提高微程序的执行速度)如何提高微程序的执行速度一、微指令的编译法(编码译码
21、法)一、微指令的编译法(编码译码法)微指令的一般格式微指令的一般格式 由两部分构成:控制字段、下址字段由两部分构成:控制字段、下址字段 控制字段:控制字段:产生控制信号的编码字段,微指令是由一系列控制信号产生控制信号的编码字段,微指令是由一系列控制信号 完成,因此可以将每个控制信号用一个控制位来表示。完成,因此可以将每个控制信号用一个控制位来表示。下址字段:下址字段:表示下一条要执行的微指令地址。表示下一条要执行的微指令地址。1 1、直接控制法(不译码法)、直接控制法(不译码法)在微指令的控制字段中,每一位代表一个微命令,在设计微指令时,在微指令的控制字段中,每一位代表一个微命令,在设计微指令
22、时,是否发出某个微命令,只要将控制字段中相应位置成是否发出某个微命令,只要将控制字段中相应位置成“1”“1”或或“0”“0”,这样,这样就可就可 打开或关闭某个控制门,这就是直接控制法。打开或关闭某个控制门,这就是直接控制法。2 2、字段直接编译法、字段直接编译法 将操作控制字段分成若干段,各段的码点定义为一组微命令。在设计将操作控制字段分成若干段,各段的码点定义为一组微命令。在设计 时将互斥的微指令组合在同一段内,而将相容性微指令放在不同段内。时将互斥的微指令组合在同一段内,而将相容性微指令放在不同段内。3 3 字段间接译码法字段间接译码法 在直接编译法缩短微指令字长的基础上进一步缩短指令长
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