计算机组成中央处理器第6章.ppt

第6章 中央处理部件CPU 6.1 计算机的硬件系统 6.2 控制器的组成 6.3 微程序控制计算机的基本工作原理 6.4 微程序设计技术 6.5 硬布线控制的计算机 6.6 控制器的控制方式 6.7 流水线工作原理 6.8 CPU举例 6.9 计算机的加电及控制过程 习题 6.1 计算机的硬件系统 当前世界上大多数计算机的中央处理机由下述两种方法实现： (1) 采用半导体公司(工厂)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16位，32位发展到64位结构。 (2) 一些计算机公司采用自行设计制造的芯片来构成大、中、小型计算机的CPU。例如，IBM公司和DEC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IBM公司也选用Intel80×86构成微机。 随着VLSI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技术(例如，流水线技术、并行处理技术、高速缓冲存储器(Cache)、虚拟存储器等)，下移到小型和微型计算机系统中来，因而使大、中、小、微型计算机的分界面不断发生变化，界限随时代而趋向消失。 下面我们将以Intel 80386组成的微机系统为例，来说明计算机系统的组成。 图6.1是由Intel 80386微处理器等器件组成的微机系统，Intel 80386是32位微处理器。 图中各个部件的主要功能如下： (1) 80386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80386中处理。 (2) 80384时钟发生器。机器加电时，首先由它产生整机复位信号(reset)，使计算机各个部件处于初始状态(reset作用时封锁计算机一切其他动作)，这样可防止加电时，由于寄存器处于“不定”状态而引起计算机的不可预估的操作。 图6.1 Intel 80386微机系统框图 (3) 80387协处理器扩充了80386指令系统，主要完成浮点运算和高精度整数运算。80386自动将取得的协处理器指令传送给80387。80387的数据线为32位。 (4) 总线控制逻辑。80386通过总线与存储器、I／O设备交换信息，相互连接情况在80386结构中讲述。 (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系统。 (6) DMA控制器及中断控制器。在CPU与I／O设备之间传送信息时，由于CPU的速度比I／O设备快得多，为了不浪费宝贵的CPU时间，因此CPU采取分时并行工作的办法。例如在磁盘存储器与主存储器之间传送数据期间，CPU照常执行程序，当磁盘存储器准备好数据时(假设读盘操作)，向CPU发出一个称之为“DMA”的请求信息，此时CPU让出总线，让出主存储器的一个存取周期时间，完成磁盘上的数据写入存储器的操作，然后CPU继续执行程序。当磁盘存储器再次准备好数据时，重复上述过程。 另外还有一些速度比磁盘存储器慢得多的I／O设备。当它们准备好数据时(假设为输入)，向CPU发出一个称之为“中断请求”信号，当CPU接受请求时，中止当前正在运行的程序，转到“中断处理程序”，对数据进行处理，并存入存储器，然后再从“中断处理程序”返回到原程序的中止点，继续执行原程序。这种工作方式称为程序中断方式。 为了完成上述工作，需要有相应的硬件支持，这就是Intel 82285 DMA 控制器及Intel 8259A中断控制器。 DMA为“直接存储器存取”的缩写，是控制I／O设备与存储器直接传送信息(数据)的逻辑电路。在一般情况下，数据是成组传送的，且不影响当前程序的执行。 中断控制器主要用于传送一个数据或机器发生故障时进行处理。 (7) “准备好”(ready)逻辑。当80386与存储器交换数据(读或写)时，由于双方速度不一致(存储器较慢)，有时80386需要等待。ready信号是由存储器发向80386的，表示在此之前由80386发向存储器的读／写命令已完成，此时80386不必等待(若已处于等待状态则结束等待)，可继续执行下面的操作。 2. 80386结构及外部连线 Intel 80386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；执行部件包括ALU、乘法部件、寄存器组等；存储管理部件用来确定存储器地址。 80386微处理器芯片通过引出端与计算机的其他部件连接，引出端信号按功能划分如图6.2所示。图上的箭头表示信号传送的方向。 图6.2 Intel 80386引出端信号 各个信号的功能解释如下： (1) D0～D31：32位数据总线，是传送数据的双向总线。 (2) A2～A31，BE0＃～BE