计算机组成原理——第五章.ppt

软件学院·计算机组织与结构 第5章 中央处理器 计算机组成原理 第5章 中央处理器 5.1 CPU的功能和组成 当代主流计算机所遵循的仍然是冯.诺依曼的“存储程序、程序控制”思想 ??? 程序告诉计算机：应该逐步执行什么操作；在什么地方找到用来操作的数据，结果存到何处等 ? 中央处理器是控制计算机自动完成取出指令和执行指令任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为CPU（Central Processing Unit） 一、 CPU的功能 ★ 指令控制 　保证机器按程序规定的顺序取出执行 三、CPU中的主要寄存器 数据缓冲寄存器（DR） 暂时存放由内存读出或写入的指令或数据字 指令寄存器（IR） 保存当前正在执行的一条指令 程序计数器（PC） 确定下一条指令的地址 地址寄存器（AR） 保存当前CPU所访问的内存单元的地址 累加寄存器（AC） 最常使用的一个通用寄存器 状态条件寄存器（PSW） 保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码 四、操作控制器与时序产生器 操作控制器在各寄存器之间建立数据通路（传送信息的通路） 功能: 就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制 硬布线控制器 微程序控制器 时序产生器产生并发出计算机所需要的时序控制信号 5.2? 指令周期 020?? ??CLA ；累加器清0 021??? ?ADD 30 ；（AC）+（30）→AC? 022? ???STA 40 ；（AC）→(40) 023?? ??NOP ； 空操作? 024? ???JMP 21 ； 21 → PC … 030 000 006 ; 数据 … 040 存和数 ; 数据 2、ADD指令的指令周期 3、STA指令的指令周期 4、NOP指令和JMP指令的指令周期 5.3? 时序产生器和控制方式 用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那么CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢? 一、时序信号的作用和体制 三、控制方式 控制不同操作序列时序信号的方法 5.4 微程序控制器的基本工作原理 处理器内部可以分为：控制部件和执行部件 微命令：控制部件向执行部件发出的控制命令 微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作 （微操作在执行部件中是最基本的操作） 微指令：实现一定操作功能的一组微命令 微程序：实现一条机器指令功能的微指令序列 机器指令与微指令 2. 控制信号的产生 微指令最简单的组成形式： 5.6　硬布线控制器 硬布线控制器把控制部件看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路（以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标） 硬布线控制的优点：速度较快；缺点：不容易修改添加新功能 微程序控制的优点：具有规整性、灵活性、可维护性等；缺点：采用存储程序原理，需要执行多条微指令，速度较慢 一、时序与节拍 一条指令的实现可分成:取指、计算地址、取数及执行等几个步骤。在微程序控制方式中，每一步由一条微指令实现，而硬布线控制方式则由指令的操作码直接控制并产生实现上述各步骤所需的控制信号。 一条指令的每一步由一个机器周期实现，如何区分一条指令的四个机器周期呢? 一、时序与节拍 方法有两种： 方法1. 两位计数器的译码输出产生的四个状态来表示当前所处的机器周期。 方法2. 用四位触发器来分别表示四个周期，当机器处于某一周期时，相应的触发器处于“1”状态，而其余三个触发器则处于“0”状态，四位移位寄存器即可实现此功能。 二、 操作控制信号的产生 1．操作码译码器 指令:操作码+地址码 在机器内设置一个指令译码器 　　输入:操作码　 输出:反映出当前正在执行的指令。 由译码器的输出和机器周期状态cyl～cy4作为输入，使用逻辑电路产生操作控制信号。 三、 控制器的组成 四、硬布线控制逻辑设计中的若干问题—设计步骤 1．指令操作码的代码分配 主要目标：简化控制部分的电路，减少延迟时间。 主要难点： (1)CISC不定长操作码的译码困难； (2)为后续升级系统预留指令位置困难。 2.确定机器周期、节拍与主频 保证大部分指令在一个周期内完成，部分指令通过如“ready”信号等方式来增加机器周期来完成。 五、 硬布线控制与微程序控制的比较 １.?实现 微程序控制通过控制存储器内的代码来实现，调试、修改方便； 硬布线控制通过组合电路实现，调试、修改复杂。 2.? 性能 微程序控制速度较慢； 硬布线控制速度很快，主要用于高速和RISC机器中。 传统CPU举例 Intel