计算机组成原理(李小勇)第五章1-2节

《计算机组成原理(李小勇)第五章1-2节》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理(李小勇)第五章1-2节（34页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、2021-7-29第 五 章 中 央 处 理 器 返 回 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1 CPU功 能 和 组 成5.2 指 令 周 期5.3 时 序 产 生 器5.4 微 程 序 控 制 器 及 其 设 计5.5 硬 布 线 控 制 器 及 其 设 计5.6 传 统 CPU5.7 流 水 CPU5.8 RISC的 CPU5.9 多 媒 体 CPU 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.1、 CPU的 功 能n 指 令 控 制 （ 程 序 的 顺 序 控 制 ）n 操 作 控 制 （ 一 条 指 令 有 若 干 操 作 信 号 实 现 ）n 时 间 控 制 （ 指

2、 令 各 个 操 作 实 施 时 间 的 定 时 ）n 数 据 加 工 （ 算 术 运 算 和 逻 辑 运 算 ）执 行 指 令取 指 令 操 作 控 制 、 时 间 控 制 5.1CPU的 功 能 和 组 成 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.2、 CPU的 基 本 组 成5.1CPU的 功 能 和 组 成CPU的 基 本 组 成 包 括 三 大 部 分 :（ 1） 运 算 器 （ 2） Cache（ 3） 控 制 器 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.2、 CPU的 基 本 组 成5.1CPU的 功 能 和 组 成运 算 器由 算 术 逻 辑 单 元 (AL

3、U)、 累 加 寄 存 器 、 数 据 缓 冲 寄 存器 和 状 态 条 件 寄 存 器 组 成 ， 它 是 数 据 加 工 处 理 部 件 。相 对 控 制 器 而 言 ， 运 算 器 接 受 控 制 器 的 命 令 而 进 行 动作 ， 即 运 算 器 所 进 行 的 全 部 操 作 都 是 由 控 制 器 发 出 的控 制 信 号 来 指 挥 的 ， 所 以 它 是 执 行 部 件 。 运 算 器 有 两 个 主 要 功 能 ：(1)执 行 所 有 的 算 术 运 算 ； (2)执 行 所 有 的 逻 辑 运 算 ， 并 进 行 逻 辑 测 试 ， 如 零 值 测试 或 两 个 值 的

4、比 较 。 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.2、 CPU的 基 本 组 成5.1 CPU的 功 能 和 组 成控 制 器 由 程 序 计 数 器 、 指 令 寄 存 器 、 指 令 译 码 器 、 时 序 产 生 器 和操 作 控 制 器 组 成 ， 它 是 发 布 命 令 的 “ 决 策 机 构 ” ， 即 完 成协 调 和 指 挥 整 个 计 算 机 系 统 的 操 作 。它 的 主 要 功 能 有 ：(1)从 内 存 中 取 出 一 条 指 令 ， 并 指 出 下 一 条 指 令 在 内 存 中 的位 置 ；(2)对 指 令 进 行 译 码 或 测 试 ， 并 产 生

5、相 应 的 操 作 控 制 信 号 ，以 便 启 动 规 定 的 动 作 ；(3)指 挥 并 控 制 CPU、 内 存 和 输 入 /输 出 设 备 之 间 数 据 流 动 的方 向 。 计算机学院体系结构中心2021-7-29 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.3、 CPU中 的 主 要 寄 存 器ALU 内 存或 I/O指 令数 据 DR 指 令数 据5.1 CPU的 功 能 和 组 成1.数 据 缓 冲 寄 存 器 （ DR） 数 据 缓 冲 寄 存 器 用 来 暂 时 存 放 由 内 存 储 器 读 出 的 一 条 指 令或 一 个 数 据 字 ； 反 之 ， 当 向

6、内 存 存 入 一 条 指 令 或 一 个 数 据 字 时 ，也 暂 时 将 它 们 存 放 在 数 据 缓 冲 寄 存 器 中 。 缓 冲 寄 存 器 的 作 用 是 ： (1) 作 为 CPU和 内 存 、 外 部 设 备 之 间 信 息 传 送 的 中 转 站 ；(2) 补 偿 CPU和 内 存 、 外 围 设 备 之 间 在 操 作 速 度 上 的 差 别 ；(3) 在 单 累 加 器 结 构 的 运 算 器 中 ， 数 据 缓 冲 寄 存 器 还 可 兼 作 为操 作 数 寄 存 器 。 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.3、 CPU中 的 主 要 寄 存 器5.1

7、CPU的 功 能 和 组 成2. 指 令 寄 存 器 （ IR） 指 令 寄 存 器 用 来 保 存 当 前 正 在 执 行 的 一 条 指 令 。 当 执 行 一条 指 令 时 ， 先 把 它 从 内 存 取 到 缓 冲 寄 存 器 中 ， 然 后 再 传 送 至 指令 寄 存 器 。 指 令 划 分 为 操 作 码 和 地 址 码 字 段 ， 由 二 进 制 数 字 组成 。 为 了 执 行 任 何 给 定 的 指 令 ， 必 须 对 操 作 码 进 行 测 试 ， 以 便识 别 所 要 求 的 操 作 。 指 令 译 码 器 就 是 做 这 项 工 作 的 。 指 令 寄 存器 中 操

8、作 码 字 段 的 输 出 就 是 指 令 译 码 器 的 输 入 。 操 作 码 一 经 译码 后 ， 即 可 向 操 作 控 制 器 发 出 具 体 操 作 的 特 定 信 号 。 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.3、 CPU中 的 主 要 寄 存 器5.1 CPU的 功 能 和 组 成3.程 序 计 数 器 （ PC） 为 了 保 证 程 序 能 够 连 续 地 执 行 下 去 ， CPU必 须 具 有 某 些 手段 来 确 定 下 一 条 指 令 的 地 址 。 而 程 序 计 数 器 正 是 起 到 这 种 作 用 ，所 以 通 常 又 称 为 指 令 计 数 器

9、。 在 程 序 开 始 执 行 前 ， 必 须 将 它 的起 始 地 址 ， 即 程 序 的 一 条 指 令 所 在 的 内 存 单 元 地 址 送 入 PC， 因此 PC的 内 容 即 是 从 内 存 提 取 的 第 一 条 指 令 的 地 址 。 当 执 行 指 令时 ， CPU将 自 动 修 改 PC的 内 容 ， 以 便 使 其 保 持 的 总 是 将 要 执 行的 下 一 条 指 令 的 地 址 。 由 于 大 多 数 指 令 都 是 按 顺 序 来 执 行 的 ，所 以 修 改 的 过 程 通 常 只 是 简 单 的 对 PC加 1。 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.

10、1.3、 CPU中 的 主 要 寄 存 器5.1 CPU的 功 能 和 组 成4. 地 址 寄 存 器 （ AR ) 地 址 寄 存 器 用 来 保 存 当 前 CPU所 访 问 的 内 存 单 元 的 地 址 。由 于 在 内 存 和 CPU之 间 存 在 着 操 作 速 度 上 的 差 别 ， 所 以 必 须 使用 地 址 寄 存 器 来 保 持 地 址 信 息 ， 直 到 内 存 的 读 /写 操 作 完 成 为止 。 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.3、 CPU中 的 主 要 寄 存 器5.1 CPU的 功 能 和 组 成5. 通 用 寄 存 器 （ R0-R3） 其

11、 功 能 是 ： 当 运 算 器 的 算 术 逻 辑 单 元 (ALU)执 行 算 术 或 逻辑 运 算 时 ， 为 ALU提 供 一 个 工 作 区 。 通 用 寄 存 器 暂 时 存 放 ALU运算 的 结 果 信 息 。 显 然 ， 运 算 器 中 至 少 要 有 一 个 通 用 寄 存 器 。 目 前 CPU中 的 通 用 寄 存 器 ， 多 达 16个 ， 32个 ， 甚 至 更 多 。当 使 用 多 个 通 用 寄 存 器 时 ， 就 变 成 通 用 寄 存 器 堆 结 构 ， 其 中 任何 一 个 可 存 放 源 操 作 数 ， 也 可 存 放 结 果 操 作 数 。 在 这 种

12、 情 况 下 ，需 要 在 指 令 格 式 中 对 寄 存 器 号 加 以 编 址 。 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.3、 CPU中 的 主 要 寄 存 器5.1 CPU的 功 能 和 组 成6. 程 序 状 态 字 （ PSW） 状 态 条 件 寄 存 器 保 存 由 算 术 指 令 和 逻 辑 指 令 运 行 或 测 试 的结 果 建 立 的 各 种 条 件 码 内 容 ， 如 运 算 结 果 进 位 标 志 (C)， 运 算 结果 溢 出 标 志 （ V)， 运 算 结 果 为 零 标 志 (Z)， 运 算 结 果 为 负 标 志(N)等 等 。 这 些 标 志 位

13、通 常 分 别 由 1位 触 发 器 保 存 。 除 此 之 外 ， 状 态 条 件 寄 存 器 还 保 存 中 断 和 系 统 工 作 状 态 等信 息 ， 以 便 使 CPU和 系 统 能 及 时 了 解 机 器 运 行 状 态 和 程 序 运 行状 态 。 因 此 ， 状 态 条 件 寄 存 器 是 一 个 由 各 种 状 态 条 件 标 志 拼 凑而 成 的 寄 存 器 。 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.1.4、 操 作 控 制 器 和 时 序 产 生 器5.1 CPU的 功 能 和 组 成通 常 把 许 多 寄 存 器 之 间 传 送 信 息 的 通 路 ， 称 为

14、数 据 通 路 。操 作 控 制 器 的 功 能 :根 据 指 令 操 作 码 和 时 序 信 号 ， 产 生 各 种 操 作 控制 信 号 ， 以 便 正 确 地 选 择 数 据 通 路 ， 把 有 关 数 据 打 入 到 一 个 寄 存器 ， 从 而 完 成 取 指 令 和 执 行 指 令 的 控 制 。根 据 设 计 方 法 不 同 ， 操 作 控 制 器 可 分 为 两 种 :1.硬 连 线 控 制 器 ， 它 是 采 用 时 序 逻 辑 技 术 来 实 现 的 ；2.称 为 微 程 序 控 制 器 ， 它 是 采 用 存 储 逻 辑 来 实 现 的 。操 作 控 制 器 产 生 的

15、控 制 信 号 必 须 定 时 ， 为 此 必 须 有 时 序 产 生 器 。因 为 计 算 机 高 速 地 进 行 工 作 ， 每 一 个 动 作 的 时 间 是 非 常 严 格 的 ，不 能 太 早 也 不 能 太 迟 。 时 序 产 生 器 的 作 用 ， 就 是 对 各 种 操 作 信 号实 施 时 间 上 的 控 制 。 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.2.1 指 令 周 期 的 基 本 概 念5.2.2 MOV的 指 令 周 期5.2.3 LAD的 指 令 周 期5.2.4 ADD的 指 令 周 期5.2.5 STO的 指 令 周 期5.2.6 JMP的 指 令 周

16、期5.2.7 用 方 框 图 语 言 表 示 指 令 周 期5.2 指 令 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.2 指 令 周 期5.2.1 指 令 周 期 的 基 本 概 念 计算机学院体系结构中心2021-7-29 n 指 令 周 期 ： 指 取 指 令 、 分 析 指 令 到 执 行 完 该 指 令 所 需 的 全 部 时间 。n 各 种 指 令 的 指 令 周 期 相 同 吗 ？ 为 什 么 ？n 机 器 周 期 通 常 又 称 CPU周 期 ，n 通 常 把 一 条 指 令 周 期 划 分 为 若 干 个 机 器 周 期 ， 每 个 机 器 周 期 完 成一 个 基

17、 本 操 作 。n 主 存 的 工 作 周 期 (存 取 周 期 )为 基 础 来 规 定 CPU周 期 ， 比 如 ， 可 以 用CPU读 取 一 个 指 令 字 的 最 短 时 间 来 规 定 CPU周 期 n 不 同 的 指 令 ， 可 能 包 含 不 同 数 目 的 机 器 周 期 。n 一 个 机 器 周 期 中 ， 包 含 若 干 个 机 器 周 期 （ 节 拍 脉 冲 或 T脉 冲 ） 。n CPU周 期 规 定 ， 不 同 的 计 算 机 中 规 定 不 同5.2 指 令 周 期5.2.1 指 令 周 期 的 基 本 概 念 计算机学院体系结构中心2021-7-29 n 时 钟

18、 周 期n 在 一 个 机 器 周 期 内 ， 要 完 成 若 干 个 微 操 作 。 这 些 微 操 作有 的 可 以 同 时 执 行 ， 有 的 需 要 按 先 后 次 序 串 行 执 行 。 因而 需 要 把 一 个 机 器 周 期 分 为 若 干 个 相 等 的 时 间 段 ， 每 一个 时 间 段 称 为 一 个 节 拍 。 节 拍 常 用 具 有 一 定 宽 度 的 电 位信 号 表 示 ， 称 之 为 节 拍 电 位 。 n 节 拍 的 宽 度 取 决 于 CPU完 成 一 次 基 本 的 微 操 作 的 时 间 ，如 ： ALU完 成 一 次 正 确 的 运 算 ， 寄 存 器

19、 间 的 一 次 数 据 传送 等 。5.2 指 令 周 期5.2.1 指 令 周 期 的 基 本 概 念 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.2 指 令 周 期5.2.1 指 令 周 期 的 基 本 概 念 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.2.2指 令 周 期5.2 指 令 周 期5.2.2 MOV指 令 的 指 令 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29 取 指 周 期 程 序 计 数 器 PC中 装 入 第 一 条 指 令 地 址 101（ 八 进 制 ） ； PC的 内 容 被 放 到 指 令 地 址 总 线 ABUS（ I） 上 ， 对 指 存 进

20、行 译 码 ， 并 启 动 读 命 令 ； 从 101号 地 址 读 出 的 MOV指 令 通 过 指 令 总 线 IBUS装 入 指 令 寄 存 器 IR； 程 序 计 数 器 内 容 加 1， 变 成 102， 为 取 下 一 条 指 令 做 好 准 备 ； 指 令 寄 存 器 中 的 操 作 码 （ OP） 被 译 码 ； CPU识 别 出 是 MOV指 令 ， 至 此 ， 取 指 周 期 即 告 结 束 。 WR/RD 计算机学院体系结构中心2021-7-295.2.2MOV指 令 的 指 令 周 期 -执 行 操 作 控 制 器 （ OC） 送 出 控 制 信 号 到 通 用 寄 存

21、 器 ， 选 择 R1（ 10） 作 源 寄 存 器 ，选 择 R 0作 目 标 寄 存 器 ； OC送 出 控 制 信 号 到 ALU， 指 定 ALU做 传 送 操 作 ； OC送 出 控 制 信 号 ， 打 开 ALU输 出 三 态 门 ， 将 ALU输 出 送 到 数 据 总 线 DBUS上 。注 意 ， 任 何 时 候 DBUS上 只 能 有 一 个 数 据 。 OC送 出 控 制 信 号 ， 将 DBUS上 的 数 据 打 入 到 数 据 缓 冲 寄 存 器 DR（ 10） ； OC送 出 控 制 信 号 ， 将 DR中 的 数 据 10打 入 到 目 标 寄 存 器 R0， R0

22、的 内 容 由00变 为 10。 至 此 ， MOV指 令 执 行 结 束 。 执 行 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29 取 指 周 期执 行 周 期5.2 指 令 周 期5.2.2 LAD指 令 的 指 令 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.2 指 令 周 期5.2.2 ADD指 令 的 指 令 周 期 (RR型 ) 计算机学院体系结构中心2021-7-29ADD指 令 的 指 令 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.2 指 令 周 期5.2.2 STO 指 令 的 指 令 周 期 (RS型 )

23、计算机学院体系结构中心2021-7-29STO指 令 的 指 令 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.2 指 令 周 期5.2.2 JMP指 令 的 指 令 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29JMP指 令 的 指 令 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29 5.2.7用 方 框 图 语 言 表 示 的 指 令 周 期引 入 目 的 主 要 是 为 了 教 学 目 的 （ 控 制 器 设 计 ）方 法 ：n 指 令 系 统 设 计 （ 模 型 机 的 五 指 令 系 统 ）n 方 框 按 CPU周 期n 方 框 内 内 容 数 据 通 路 操 作 或 控

24、 制 操 作n 菱 形 符 号 判 别 或 测 试 n 公 操 作n 前 边 所 讲 述 的 5种 操 作 的 框 图 描 述5.2 指 令 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29取 指执 行 5.2.7用 方 框 图 语 言 表 示 的 指 令 周 期5.2 指 令 周 期 计算机学院体系结构中心2021-7-29 P139例 1双 总 线 结 构 机 器 的 数 据 通 路 图 微 操 作信 号 微 操 作信 号5.2.7用 方 框 图 语 言 表 示 的 指 令 周 期5.2 指 令 周 期画 出 （ 1） ADD R0,R1 (2)SUB R1,R3 的 指 令 周 期 流 程 图 ，并 列 出 相 应 的 微 操 作 信 号 计算机学院体系结构中心2021-7-29注 意 微 操 作 控 制 信 号 （ 右 边 ）ALU0 ALU0