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1、第6章 中央处理器,中央处理器(CPU)=运算器(ALU)+控制器(CU)。,6.1 CPU的组成与操作 6.2 CPU时序控制方式6.3 CPU控制流程6.4 控制器的组成6.5 指令的执行过程6.6 指令流水6.7 操作控制信号形成部件,6.1 CPU的组成与操作,1、CPU的组成2、CPU的四种基本功能3、从内存读取一个字4、把一个字写入主存5、通用寄存器之间传送数据6、完成算术、逻辑运算,6.1 CPU的组成与操作,1、CPU的组成：,PC程序计数器 IR指令寄存器指令译码器,内部总线存储器数据寄存器MDR存储器地址寄存器MAR算数逻辑运算单元ALU通用寄存器R0到R(n-1)暂存寄存
2、器Y、Z,6.1 CPU的组成与操作,6.1 CPU的组成与操作,6.1 CPU的组成与操作,2、CPU的四种基本功能：（1）、读取某一主存单元的内容，并将其装入某一个CPU寄存器；（2）、把一个数据字从某一个CPU寄存器存入某个给定的主存单元中；（3）、把一个数据字从某一个CPU寄存器送到另一个寄存器或者ALU；（4）、进行一个算术运算或逻辑运算，将结果送入某一个CPU寄存器。,6.1 CPU的组成与操作,3、从内存读取一个字：举例：假设要访问的主存单元地址放在寄存器R1中，并且要求把读出的内容装入寄存器R2。（1）、MARR1(R1out,MARin)（2）、Read（3）、WMFC；等待
3、MFC信号（Wait MFC）（4）、R2MDR(MDRout,R2in),6.1 CPU的组成与操作,（1）、MARR1(R1out,MARin)（2）、Read（3）、WMFC；等待MFC信号（Wait MFC）（4）、R2MDR(MDRout,R2in),6.1 CPU的组成与操作,4、把一个字写入主存：举例：假设要写入的数据字放在R2中，存储单元的地址放在R1中。（1）、MARR1(R1out,MARin)（2）、MDRR2(R2out,MDRin)（3）、Write（4）、WMFC,6.1 CPU的组成与操作,（1）、MARR1(R1out,MARin)（2）、MDRR2(R2out
4、,MDRin)（3）、Write（4）、WMFC,6.1 CPU的组成与操作,5、通用寄存器之间传送数据：举例：将寄存器R1的内容传送到R4。R1out，R4in,6.1 CPU的组成与操作,R1out，R4in,6.1 CPU的组成与操作,6、完成算术、逻辑运算：举例：完成寄存器R1的内容与寄存器R2的内容相加，并将结果送入寄存器R3。（1）、R1out，Yin（2）、R2out，Add，Zin（3）、Zout，R3in,6.1 CPU的组成与操作,（1）、R1out，Yin（2）、R2out，Add，Zin（3）、Zout，R3in,6.1 CPU的组成与操作,图6.3 加法操作期间控制信
5、号的时序,R2out，Add，Zin,6.2 CPU时序控制方式,1、同步控制方式2、异步控制方式3、联合控制方式,6.2 CPU时序控制方式,1、同步控制方式：系统有一个统一的时钟，所有控制信号均来自这个统一的时钟信号。指令周期：CPU每取出并执行一条指令所需要的全部时间。工作周期（机器周期）：指令运行过程中相对独立的阶段。一般把指令的运行过程分为取指令、读取操作数及执行(包括写结果)等三个基本工作周期。,6.2 CPU时序控制方式,时钟周期：在一个机器周期里可以完成若干个微操作，每个微操作都需一定的时间，可用时钟信号来控制产生每一个微操作命令。因此，一个机器周期内包含若干个时钟周期（又称节
6、拍或状态）。在每个节拍内机器可完成一个或几个需同时执行的微操作。,6.2 CPU时序控制方式,6.2 CPU时序控制方式,2、异步控制方式:没有基准时钟信号，没有固定的周期节拍和严格的时钟同步，执行每条指令和每个操作需要多少时间就占用多少时间。这种方式微操作的时序由专门的应答线路控制，即当CU发出执行某一微操作的控制信号后，等待执行部件完成了该操作后发回“回答”(或“结束”)信号，再开始新的微操作，使CPU没有空闲状态，但因需要采用各种应答电路，故其结构比同步控制方式复杂。,6.2 CPU时序控制方式,3、联合控制方式：所谓联合控制方式是同步和异步控制方式的结合。对于不同的操作序列以及其中的每
7、个操作，实行部分统一、部分区别对待的方式。,6.3 CPU控制流程,程序:能完成某个确定算法的指令序列。计算机进行信息处理的过程就是不断地取指令、分析指令和执行指令这样一个周而复始的过程。1、取指令:由程序计数器（PC）指出当前指令地址，通过执行“MAR（PC）”和“Read”命令，从主存中取出指令。,6.3 CPU控制流程,2、分析指令:对取出的指令进行分析，指出它执行什么操作，产生相应的操作控制信号。如果参与操作的数据在主存中，则还需要形成操作数地址。3、执行指令:根据指令分析得到的“操作命令”和“操作数地址”，按一定的算法形成相应的操作控制命令序列，通过运算器、存储器及外部设备等的具体执
8、行，实现每条指令的功能。,6.3 CPU控制流程,4、对异常情况和某些请求的(中断)处理:当机器出现某些异常情况，如算术运算溢出、数据传送奇偶错等；或者某些外来请求，(如磁盘成批数据送存储器结束或程序员从键盘送入命令)等，此时由这些部件或设备发出“中断请求”信号，待执行完当前指令后，CPU响应该请求，中止当前执行的程序，转去执行中断服务程序。当处理完毕后，再返回原程序继续运行。,6.4 控制器的组成,1、程序计数器（PC）:又称指令计数器或指令指针（IP），在某些机器中用来存放正在执行的指令地址；在大多数机器中则存放要执行的下一条指令的地址。指令地址的形成有两种可能：一是顺序执行的情况，每执行
9、一条指令，程序计数器加“1”以形成下条指令的地址。该加“1”计数的功能，有的机器是PC本身具有的，也有的机器是借用运算器完成的。二是在某些条件下，需要改变程序执行的顺序，这常由转移类指令形成转移地址送到PC中，作为下条指令的地址。,6.4 控制器的组成,2、指令寄存器（IR）:用以存放现行指令，以便在整个指令执行过程中，实现一条指令的全部功能控制。3、指令译码器:又称操作码译码器，它对指令寄存器中的操作码部分进行分析解释，产生相应的控制信号提供给操作控制信号形成部件。,6.4 控制器的组成,4、脉冲源及启停控制线路:脉冲源:产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲。启停线路:在需要的时候保
10、证可靠地开放或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生与停止，实现对机器的启动与停机。5、时序信号产生部件:以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令相对应的周期、节拍等时序信号，以实现机器指令执行过程的时序控制。,6.4 控制器的组成,6、操作控制信号形成部件:综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。7、中断机构:实现对异常情况和某些外来请求的处理。8、总线控制逻辑:实现对总线信息传输的控制。,6.4 控制器的组成,6.5 指令的执行过程,一、加法指令：1、指令：Add R1，（R3）该指令的功能是将某存储单元的内容与寄存器R1的内容相加，结果存入
11、R1中。存储单元的地址放在寄存器R3中（寄存器间接寻址）。2、执行这条指令需要下列动作：（1）取指令；（2）取操作数（由R3所指出的存储单元的内容）；（3）完成加法运算；（4）结果存入R1中。,6.5 指令的执行过程,3、操作控制序列（微操作序列）：（图6.1所示的单总线结构）步 动作1 PCout,MARin,Read,Clear Y,1C0，Add,Zin；取指，(PC)+12 Zout,PCin,WMFC；(PC)+1PC3 MDRout,IRin；指令IR4 R3out,MARin,Read；取数据 5 R1out,Yin,WMFC；(R1)Y6 MDRout,Add,Zin；相加7
12、Zout,R1in,End；结果R1,6.1 CPU的组成与操作,6.5 指令的执行过程,二、无条件转移指令(BR)：步 动作1 PCout,MARin,Read,Clear Y,1C0,Add,Zin2 Zout,PCin,WMFC3 MDRout,IRin4 PCout,Yin5（IR的偏移字段)out,Add,Zin6 Zout,PCin,End,6.5 指令的执行过程,三、条件转移指令：如果N标志等于1则转移。步 动作1 PCout,MARin,Read,Clear Y,1C0,Add,Zin2 Zout,PCin,WMFC3 MDRout,IRin4 If N=0 then End，
13、If N=1 then PCout,Yin5（IR的偏移字段)out,Add,Zin6 Zout,PCin,End,6.6 指令流水,1、指令流水原理 2、影响流水线性能的因素 3、超标量技术,1、指令流水原理,指令的串行执行：,在取指令时，执行部件是空闲的，在执行指令时，取指令部件基本上是空闲的。可以考虑在执行部件执行指令的同时取下一条指令，即两条指令的执行过程在时间上有重叠（即指令流水）。指令的二级流水：,1、指令流水原理,指令六级流水：取指（FI）指令译码（DI）计算操作数地址（CO）取操作数（FO）执行指令（EI）写操作数（WO）,2、影响流水线性能的因素,1、访存冲突：避免方法：（1
14、）设置两个存储器系统分别放置指令和数据。（2）采用预取指令技术：设置指令队列，在执行指令过程中利用存储器空闲时间取指令，只要指令队列有空，就可以取下一条指令。,2、影响流水线性能的因素,2、影响流水线性能的因素,2、相关问题：（1）控制相关：当一条指令需要等到前一条指令（或前几条指令）作出转移方向的决定后才能进入流水线，即产生控制相关。（2）数据相关：指几条指令共用了同一个存储单元（或寄存器）的内容时所发生的关联。,3、超标量技术,在每个时钟周期内可以同时并发多条独立指令，即以并行操作的方式将两条或两条以上的指令编译并执行。超标量处理机内部配置有多个功能部件和指令译码电路，以及多个寄存器端口和
15、总线。条件：并发执行的指令不能相关。,3、超标量技术,6.7 操作控制信号形成部件,操作控制信号形成部件：产生指令所需要的操作控制信号序列，用以控制计算机各部分的操作，它是整个控制器的核心，也是最复杂的部件。一、组合逻辑控制与PLA控制二、微程序控制,一、组合逻辑控制与PLA控制,1、组合逻辑控制2、PLA控制,T1 T2 Tn,INS1INS2INSm,1、组合逻辑控制,（1）、组合逻辑控制器框图：,时钟,控制步计数器,步译码器,编码器,标志,IR,指令译码器,操作控制信号,1、组合逻辑控制,（2）、微操作命令的逻辑表达式：Zin=T1+T6ADD+T5BR+End=T7ADD+T6BR+（
16、T6N+T4N）BRN+,2、PLA控制,可编程逻辑阵列（PLA）：由一个“与”门阵列和一个“或”门阵列构成，它能实现一个多变量组合逻辑电路。,2、PLA控制,F1=abcd+abcd+bcd+abcdF2=abcd+abcF3=abcd+abcd+bdF4=bcd+abc+bd,2、PLA控制,AND array,OR array,IR,控制步 计数器,标 志,操作控制信号,二、微程序控制,1、Wilkes微程序控制2、基本概念3、微指令的格式与编码4、微指令地址的生成,1、Wilkes微程序控制,微程序存储器（控制存储器）,微指令,机器指令,微命令微操作,1、Wilkes微程序控制,减少了
17、电路的复杂性和非标准化程度。提供了很大的灵活性，使得设计的变更、修改以及指令系统的扩充都成为不太困难的事情。微程序控制器的主要缺点是：它要比相同或相近半导体技术的硬布线式控制器(如PLA方式)慢一些。,6.5 指令的执行过程,3、操作控制序列（微操作序列）：Add R1，（R3）步 动作1 PCout,MARin,Read,Clear Y,1C0，Add,Zin；取指，(PC)+12 Zout,PCin,WMFC；(PC)+1PC3 MDRout,IRin；指令IR4 R3out,MARin,Read；取数据 5 R1out,Yin,WMFC；(R1)Y6 MDRout,Add,Zin；相加7
18、 Zout,R1in,End；结果R1,2、基本概念,微命令：控制部件向执行部件发出的控制信号。微操作：执行部件接受到微命令后所做的动作。微指令：若干微命令的组合，用于产生一组控制信号，以控制执行一组微操作，完成一个基本的运算或传送功能。有时也将微指令称作控制字（CW），其中每一位代表一个微命令。微程序：完成指定任务的微指令序列。对应于一条机器指令。微程序存储器（控制存储器）：存放指令系统所对应的所有微程序的一个专门存储器。一般是只读存储器。,2、基本概念,2、基本概念,2、基本概念,（1）微程序定义了计算机的指令系统。因此可以借助改变微程序存储器的内容来改变指令系统。这为计算机设计者及用户提供了相当大的灵活性；（2）一般而言，并不经常改变微程序存储器的内容，所以通常用只读存储器ROM充当微程序存储器；（3）任何机器指令的执行都将多次访问控制存储器，因此，此控制存储器的速度在决定计算机总的速度时起着主要的作用。,作业,P177 1、3、5,
