[理学]第6章 中央处理部件CPU.pptVIP

第六章 中央处理部件 本章要点： §6.1 控制器的组成 §6.2 一条指令的执行过程 §6.3 微程序控制技术 §6.4 硬布线控制技术 §6.5 控制器的控制方式 §6.6 流水线技术 现代计算机的功能日益强大、结构日益复杂。不能想象由人来直接管理这样复杂的机器，必须由软件系统来代替人管理机器自动的工作。这个软件就是操作系统。 现代计算机的操作系统也是十分庞大复杂的。这样庞大的软件系统不可能全部驻留在内存中，只能保存在辅存（磁盘、磁带）上。在开机后按需要装入主存储器运行。 操作系统的一小部分内核程序（BIOS）必须固化在ROM中，安装在主板上，保证机器一上电就可以立即执行。 机器一加电，立即开始执行BIOS程序。自动到系统磁盘的0道装入引导程序Boot，该程序装入主存运行后把操作系统的常驻内存部分装入内存，建立相应的环境，管理计算机的资源，等待用户的命令。 指令周期? CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。 CPU周期?? 又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。 时钟周期? 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。 下图示出了采用定长CPU周期的指令周期示意图。 ◆ 从M中取指=IR，(PC)+1=PC; (PC)-AB ; ADS#, W/R#，M/IO#，Ready#，DB-IR，C/D#. ◆ 计算操作数地址，将得到的有效地址=AR; (rs1)-GR, (rs1)-ALU，disp-ALU，”+”， ALU-AR ◆ 取操作数：AR-AB，ADS#，W/R#，M/IO#，Ready#，DB-DR; ◆ 做加法：(rs)-GR，(rs)-ALU，DR-ALU; rd-GR， ALU-rd, 置运算结果N，Z，V，C。 作 业 第6章——1、21 阅读173~176页，通过对80386的了解，进一步熟悉计算机的硬件系统、微处理器和控制信号。 微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。 1. 控制存储器 　　 控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读存储器。一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。其工作过程是：每读出一条微指令，则执行这条微指令；接着又读出下一条微指令，又执行这一条微指令……。读出一条微指令并执行微指令的时间总和称为一个微指令周期。通常，在串行方式的微程序控制器中，微指令周期就是只读存储器的工作周期。控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。  微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。 2. 微指令寄存器 　　 微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。 3. 地址转移逻辑 　　 在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读下一条微指令。地址转移逻辑就承担自动完成修改微地址的任务。 作业 第6章—2，5，8 机器指令与微指令的关系 【问】一会儿取机器指令，一会儿取微指令，它们之间到底是什么关系？ 【解】 1. 一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的 操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。 2. 从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一一对应关系来看，前者与内存储器有关，后者与控制存储器有关。 与此相关，也有相对应的硬设备，请看演示。 §6.4.1 硬布线控制器的实现方法 用逻辑线路替代控制存储器。 控制存储器中微指令的执行采用时序脉冲信号控制。 两级门电路的实现 PLA（可编程逻辑阵列） PAL (可编程阵列逻辑） GAL（通用阵列逻辑） VLSI直接实现 优点：当机器的 指令集 中指令条数较少且操作码规整时，译码速度快，硬件逻辑的执行速度快。 缺点：当机器的 指令集 中指令数量较大时，控制线路复杂；控制器的调试难度增大；自动化生产程度将降低。 典型机器：