台80X86型微型计算机的指挥中心--中央处理器.ppt

第一节 中央处理器的组成和功能,微处理器的组成 处理器中指令的执行过程 控制器的时序系统 现代控制器(服务器类)的几种新型组成结构 IA-32系列控制器的几种工作模式,第一节 微处理器（8086）的组成和功能,1、运算器：算术逻辑单元（ALU）和数据暂存器 2、控制器： 程序计数器PC、指令寄存器 IR、操作控制器、时序发生器。 3、寄存器组：14个16位寄存器按照用途分为四类 通用寄存器4个：AX、BX、CX、DX；可分成8个8位寄存器使用 专用寄存器4个：SP（堆栈指针）、BP、SI、DI 段寄存器4个：CS、DS、SS、ES 指令指针IP和标志寄存器FLAG：进位（CF）、溢出（OF）、奇偶（PF）、符号标志位（SF）、辅助进位标志位（AF）、零标志位（ZF） 4、外部引脚 ：地址/数据总线16条，作为分时复用的内存和端口的地址/数据总线；地址/状态线4条，作为地址总线的高4位或者状态信号。控制总线9条，用于对总线进行读写操作或控制。电源线和地线3条。其他控制线8条，其性能根据方式控制线MN/MX所处的状态决定。,CPU组织原理结构图（计算机组成第二级原理图之一）,第二节 控制器的功能与组成,一、功能 取指令： 分析指令：（见75页8086/8088指令格式） 得到操作码 确定数据的寻址方式 形成操作数的有效地址 执行指令 根据操作玛和操作数的有效操作地址，按照一定的算法流程，形成微操作序列，分别对运算器、存储器和输入输出设备进行控制，实现指令确定的功能。 程序和数据的输入及其结果输出的功能 随机事件的处理功能： 控制器具有接受、响应外部设备中断的功能。,第二节 控制器的功能与组成,二、控制器的基本结构（101页图5-1） 1、指令部件 PC 指令寄存器IR 指令译码器ID： 操作码-翻译-控制电位 形成计算操作数有效地址的控制信息 2、时序部件：产生计算机所需要的定时信号 脉冲源：产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲（主脉冲、主频率），是机器周期、节拍和工作脉冲的基准信号 周期状态发生器（取指周期、访存周期、执行周期、结束周期） 节拍发生器：产生某个机器周期所需要的节拍数，在一个节拍中配合工作脉冲完成基本传送、接收、处理工作。,第二节 控制器的功能与组成,3、微操作命令序列形成部件：提供执行机器指令所需要的各种基本操作命令信号 4、总线及其控制逻辑 指令寄存器操作码的操作信号 时序部件提供的时序信号 程序状态字寄存器的状态条件信号 中断机构输出的信号。 5、中断机构 中断及其中断处理过程 6、程序状态字寄存器PSWR,第二节 控制器的功能与组成,三、指令的执行过程（103页图5-2） 1、PC设置初始值：用操作系统程序完成 2、取指令：（PC）MAR、READMM、（MM）-MDR、（MDR）-IR、（PC）+指令字长-PC 3、ID译码-产生系列微操作控制信号（MOP），控制ALU、MM、I/O和本身 4、取操作数（取决于操作数的寻址方式）： ADDRMAR，或者经过编址运算后得到EA后，（EA）-MAR， READMM、（MM）-MDR。 （EA）-PC（ADDR-PC） 5、对于运算类指令，（MDR）-ALU，与暂存器中的另一个运算数在ALU中进行运算处理，如果是间接寻址则还要经过一个总线周期才能取到操作数。 6、对操作结果进行处理：送往通用寄存器保存，或者是送往目的地址所指出的主存单元中保存（此时要发写命令WRITE） 7、继续取出下一条指令或停机执行其它任务 注意：以上的每一个基本执行步骤叫做一个微操作（微命令）,第三节 控制方式及时序系统,1、同步控制方式：计算机的每一步操作都由统一的时序信号进行同步控制。以最复杂的微操作所需要的时间作为统一的节拍长度。时序信号由机器周期、节拍和工作脉冲组成 节拍：每个机器周期由若干微操作（寄存器读、写、存储器读、写、ADD等）组成的，每个微操作需要的时间周期叫做节拍。也称为时钟周期，由计算机的主频决定（主频的倒数）。 工作脉冲：一个节拍内几个工作脉冲（清除寄存器各位的脉冲、打开输入通道的脉冲和数据作用触发器的置1 S端）。微型计算机的使用单脉冲节拍。 总线周期（机器周期）：CPU从存储器或者I/O端口存取一个数据所花费的时间。至少包括4个时钟周期，每个时钟周期是一个T状态，在4个T状态期间的可以插入一个或者多个等待状态TW，用以同步CPU和内存的反映速度。 指令周期： 2、异步控制方式：节拍周期长短不一、由前一个节拍的结束信号作为自己的起始信号。 3、联合控制方式： 注意：现代微型计算机采用改进的同步控制方式：中央控制和局部控制,第四节 控制器的种类,组合逻辑控制器： 计算机执行指令的实质就是在时序信号的控制下，根据不同指令的执行过程有序地向控制器各个部件发出一组控制信号（微操作命令序列）的过程。 组合逻辑控制器设计 确定要实现的指令和指令的功能(105页表5.1) 根据模型机(图5.4)的硬件结构画指令流程图(图5.5) 编制操作时间表(图5.6和表5-2和表5-3) 微操作组合 设计控制电路,流水线技术,串行指令执行过程 指令串行执行的时空关系（流水方式：指令的预取）,超标量技术,在指令流水技术的基础上，超标量技术是在一个处理机中设置多个独立的功能部件，称为多操作部件处理机或超标量处理机。在超标量计算机的CPU中，设置两条或两条以上的流水线，具有多个执行部件。在IA-32CPU中，就引入了此种技术。 Pentium CPU有双路超标量 P6有三路超标量。,超线程技术（HT）,一个物理CPU作为两个或两个以上的逻辑C