北航计算机组成原理讲义.pdf

计算机组成原理 (2011级) 北航计算机学院 刘旭东© 、肖利民 Tel Mail ：liuxd@buaa.edu.cn liuxd@act.buaa.edu.cn 第五部分 CPU与控制单元设计 一、CPU的功能与组成 二、数据通路设计 三、指令执行流程分析 四、硬布线控制器设计 五、微程序控制器 六、MIPS数据通路设计 七、流水线技术简介 2 1.1 CPU的功能与组成 CPU的功能：控制指令执行 取指令：从存储器中读出指令  指令地址部件：指明当前要读取的指令在存储器中的地址  指令寄存部件：保存从存储器中取来的指令 分析指令：分析指令的操作性质以及操作对象的位置（地址）  译码部件：对指令进行译码 执行指令：实现指令应该具有的操作功能  控制信号逻辑部件：根据指令的操作性质和操作对象的地址（ 译码结果），在时序信号配合下，产生一系列的微操作控制信 号，从而控制计算机的运算器、存储器或输入输出接口等部件 工作，实现指令所表示的功能。  时序部件：提供计算机基准时序信号 3 1.1 CPU的功能与组成 CPU的组成 执行单元（ EU－Execution Unit）  运算单元：算术逻辑运算单元（ALU ）  寄存器：通用寄存器组（GPRs），标志寄存器（FR，又称程 序状态字PSW），临时寄存器（TR ） 控制单元 （CU－Control Unit ）：  指令地址部件：程序计数器（PC － Program Counter）  指令寄存部件：指令寄存器（IR － Instruction Register）  译码部件：指令译码器（ID － Instruction Decoder）  微操作控制信号产生部件：产生计算机其他部件所需要的所有 微操作控制信号，有组合逻辑和微程序等实现方式。  时序部件：产生时序信号 内部总线：CPU 内部数据通路（Internal Bus） 4 1.1 CPU的功能与组成 CPU 内部结构（内部 CPU 单总线结构） 微操作控制信号 ALU GR 微操作信号 中 执行单元（EU） 发生器 断 MAR 系 控制单元（CU） A B MBR ID 统 EU PC 寄存器单元 IR CU 中断系统 Intern