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第五章 中央处理器（CPU）,第一节 中央处理器的总体结构,CPU功能：从主存取指、解释、执行指令。 程序控制功能、数据处理功能、操作定 序功能 CPU基本组成： 控制部件(CU) 算术逻辑运算部件（ALU） Cache存储器 中断系统 各种寄存器 CPU内部数据通路,模型机CPU的总体结构,CPU的设计步骤大致如下：,1、确定总体结构，设计数据通路及相应控制信号； 2、设计指令系统及时序系统，拟定指令流程，确定 微操作控制信号； 3、设计产生各种微操作控制信号的控制部件 两种类型组合逻辑控制器、微程序控制器,以8086的结构及指令系统为基础简化设计模型机,1、总体结构,单BUS结构：CPU、存储器及I/O部件挂接在一 组系统总线上，同步方式工作 只保留EU结构,模型机CPU的总体结构,2、CPU内总线（IBUS）,模型机CPU的总体结构,双向单总线 IBUS重用 单发送多接收 三态门隔离,3、CPU中寄存器设置,（1）寄存器组,模型机CPU的总体结构,W-B,地址R,字/字节操作,写某个通用寄存器,读某个通用寄存器,将某通用寄存器内容送内总线,数据R,RE,WE,（1）寄存器组,3、CPU中寄存器设置,R地址(AX), WE, W-B,RE,WE,WE,R地址,W-B,W-B,IBUS,（1）寄存器组,3、CPU中寄存器设置,RE,WE,R地址,RE,R -IBUS,W-B,AL,IBUS,（2）总线暂存器RBL,3、CPU中寄存器设置,RE,WE,R地址,W-B,W-B,RE,R-IBUS,RBL,IBUS-RBL,IBUS-RBL,（3）移位寄存器（SR）,例：将RBL中一个字内容算术左移一位,3、CPU中寄存器设置,RBL-IBUS，IBUS-SR，SALC，W-B，SR-IBUS ，IBUS-RBL,16位，只存指令的前2个字节（前两个字节为操作码和寻址方式）。 IBUS-IR用于控制将IBUS上的指令打入 IR。,（5）PC（程序计数器） 16位专用寄存器，具有自增功能。 一条指令结束前必须自动改变成下地址。,（4）IR（指令寄存器）,3、CPU中寄存器设置,PC,IBUS-PC,IR,IBUS-IR,PC+1,0-PC,IR,PC,IBUS-IR,0-PC,IBUS-PC,PC+1,PC-IBUS,PC-IBUS,IBUS,MDR : R MDR DBUS M,（6）MAR和MDR MAR : 地址 = MAR = ABUS,对主存的控制信号：MRD（读），MWR（写）， W-B（字/字节）,3、CPU中寄存器设置,（6）MAR和MDR,例：从内存取指到IR中。,3、CPU中寄存器设置,（7）标志寄存器FR,0-PC,PC+1,ABUS,DBUS,CBUS,MAR-ABUS,MAR,R地址,R-IBUS,RE,WE,IBUS-MAR,移位寄存器 SR,FR,PC,IBUS-PC,IBUS-IR,CU,TS,控制信号,主存 Memory,MDR,MDR-DBUS,MDR-IBUS,RBL,IBUS-RBL,RBL-IBUS,ADDC,SUBC,IBUS,寄 存 器 组,PC-IBUS,MUX,BUS-MDR,I-DBUS,HALT,偶体,奇体,MRD,MWR,W-B,W-B,RA,RB,ALU-IBUS,ANDC,ORC,IBUS-RA,IBUS-RB,SHLC,SALC,ROLC,IBUS-SR,SR-IBUS,W-B,PC,PC-IBUS,IBUS-MAR,MAR,MAR-ABUS,MRD,W-B,I-DBUS,BUS-MDR,MUX,MDR,MDR-IBUS,IBUS-IR,MAR-IBUS,4、ALU部件及控制部件,ALU部件基本运算：ADDC，SUBC，ANDC， ORC，XORC，NOTC，INCAC，DECAC等,R地址（BX），RE，W-B，R-IBUS，IBUS-RA，RBL-IBUS，IBUS-RB，ADDC，ALU-IBUS，R地址（AX），WE，W-B,控制部件CU,时序控制方式：微操作与时序信号之间采取何种关系。 一、同步控制方式 各项微操作由统一的时序信号进行同步控制。 二、同步控制方式的多级时序系统 多级时序概念： （1）指令周期：执行一条指令的时间。 （2）机器周期：（CPU工作周期） 把指令周期分成若干个子周期，每个子周期称为 机器周期。 （3）节拍（时钟周期）：完成一步基本操作的时间段。 （4）时钟脉冲信号：时序系统的基本定时信号。,第二节 指令周期与指令流程,模型机设置五种工作周期：,（1）取指周期FI：取指译码 （2）目的周期DST：形成目的地址，获得目的操作数 （3）源周期SRC：形成源地址，获得源操作数 （4）执行周期EXC：运算、存结果/形成转移地址 （5）中断响应周期INT：进行中断处理 周期状态触发器：5个触发器对应上面5种工作周期， 任一时刻只有一个为1。,组合逻辑控制时序系统的组成,三、时序系统,微程序控制时序系统的组成,三、时序系统,四、指令系统 （一）指令格式,1、双操作数指令代码格式: 长度1-6B,指令 目的操作数 源操作数 操作特征部分 MOV REG R/M 10 00 10 dw MOV M Imm 11 00 01 1w ADD REG R/M 00 00 00 dw ADD R/M Imm 10 00 00 0w AND R/M REG 00 10 00 dw AND R/M Imm 10 00 00 0w d=1，目的操作数由REG字段给出 w=1，字操作,REG W=0 W=1 000 AL AX 001 CL CX 010 DL DX 011 BL BX 100 AH SP 101 CH BP 110 DH SI 111 BH DI,MOD R/M 00 01 10 11 000 (BX)+(SI) (BX)+(SI)+D8 (BX)+(SI)+D16 AL/AX 001 (BX)+(DI) (BX)+(DI)+D8 (BX)+(DI)+D16 CL/CX 010 (BP)+(SI) (BP)+(SI)+D8 (BP)+(SI)+D16 DL/DX 011 (BP)+(DI) (BP)+(DI)+D8 (BP)+(DI)+D16 BL/BX 100 (SI) (SI)+D8 (SI)+D16 AH/SP 101 (DI) (DI)+D8 (DI)+D16 CH/BP 110 D16 (BP)+D8 (BP)+D16 DH/SI 111 (BX) (BX)+D8 (BX)+D16 BH/DI,例1：指令MOV VAR，5678H。该指令的操作码OPCODE为 1100011，REG为辅助操作码，其值为000。设VAR对应地址为2000H。这条指令的代码如何？,解 ： OPCODE W MOD REG R/M 位移量低 位移量高 立即数低 立即数高,1100011,1,000,C7 06 00 20 78 56H,例2 ：指令ADD AX, BX。这条指令的代码如何？,解 ： OPCODE d W MOD REG R/M,000000,1,000,1,11,011,03 C3H,2、单操作数指令代码格式,操作码扩展：OPCODE=1111111 OP2为辅助操作码,例3 ：指令INC AL。这条指令的代码如何？,解 ： OPCODE W MOD REG R/M,1111111,000,0,11,000,FE C0H,（二）指令分类 1、数据传送类指令,（1）MOV DST，SRC （SRC）DST SRC可采用立即寻址、R寻址、直接寻址、R间址、变址/基址、基址变址寻址等。 DST不能采用立即寻址，其他同SRC。 采用双操作数指令代码格式，长度为2-6字节。,（2）PUSH SRC （SP）-2 SP，（SRC） （SP） SRC为R，为单字节指令 SRC为M，为2 4字节,（3）POP DST ( (SP)） DST，（SP）+2 SP DST为R， 为单字节指令 DST为M，为2 4字节,（1）双操作数： ADD/SUB DST ，SRC 寻址方式与指令代码格式、长度同MOV 指令功能：（DST ）OP（SRC） DST,2、算术运算类指令,（2）单操作数 INC/DEC DST 指令功能：OP（DST） DST 寻址方式同MOV 采用单操作数指令代码格式，长度2-4字节。,（1） 双操作数： AND/OR /XOR DST ，SRC 寻址方式与指令代码格式、长度同MOV 指令功能：（DST ）OP（SRC） DST,3、逻辑运算类指令,（2）单操作数 NOT DST 指令功能：OP（DST） DST 寻址方式同MOV 采用单操作数指令代码格式，长度2-4字节。,（3）移位指令 SAL/SAR/SHL/SHR/ROL/ROR DST，1 指令功能： OP（DST）DST 寻址方式同MOV 采用单操作数指令代码格式,（2）条件转移指令 JX 目标地址； 转移条件：X X成立：则（IP）+disp IP； 否则：顺序执行 包括JO、JS、JZ、JP、JC,4、控制转移类指令,（1）无条件转移指令,JMP 目标地址； 功能:（IP）+disp IP,5、处理器控制类指令 HLT停机指令,以工作周期为线索，拟定各类指令在本工作周期操作流程易于优化 按指令类型分别拟定指令流程易于理解,拟定指令流程通常有两种方式,（三）指令流程,1、取指流程,FI0 PCMAR FI1 M MDR IR；PC+1 PC,2、 MOV指令流程 （1）FI同前 （2）DST,（3）SRC：同DST类似,W,R,M,Rs,R,D R,DRb Ri,D16,SRC0,SRC1,SRC2,SRC3,SRC4,SRC5,EXC0,EXC1,SRC6,SRC7,Imd,Imd16,D16,D16,例1 拟出MOV AX, 2130H 的指令流程 解: FI0 PC=MAR FI1 M=MDR=IR, PC+1=PC DST0 PC+1=PC SRC0 MAR=SR SRC1 PC=MAR SRC2 M=MDR=RBL, PC+1=PC SRC3 SR=MAR,PC+1=PC EXC0 RBL=AX,FI0 PC-MAR PC-IBUS, IBUS-MAR, T+1(CLK) FI1 M-MDR-IR MAR-ABUS, MRD, W-B, I-DBUS, BUS-MDR, MDR-IBUS，IBUS-IR PC+1-PC PC+1 ,IBUS-PC, 1-T0(CLK), 1-DST(CLK) DST0 PC+1-PC PC+1 ,IBUS-PC, T+1(CLK) DST1 PC -MAR PC-IBUS, IBUS-MAR, T+1(CLK) DST2 M-MDR-RA MAR-ABUS, MRD, W-B, I-DBUS, BUS-MDR, MDR-IBUS，IBUS-RA PC+1 -PC PC+1 ,IBUS-PC, T+1(CLK) DST3 DI-RB RE, W-B,R-IBUS, IBUS-RB PC+1 -PC PC+1 ,IBUS-PC, T+1(CLK) DST4 RA+RB-MAR ADDC,ALU-IBUS,IBUS-MAR， 1-T0(CLK), 1-SRC(CLK) SRC0 CL-RBL RE, W-B,R-IBUS, IBUS-RBL， 1-T0(CLK), 1-EXC(CLK) EXC0 RBL-MDR RBL-IBUS，I-DBUS, BUS-MDR, T+1(CLK) EXC1 MDR-M MDR-DBUS，MWR，W-B，1-T0(CLK), 1-FI(1-INT)(CLK),例2：拟出MOV 1234HDI，CL的指令流程与微操作时间表,3. 双操作数的算逻指令流程 (1）FI同MOV (2) DST：,（3）SRC：同DST类似,W,R,M,Rs,R,D R,DRb Ri,D16,SRC0,SRC1,SRC2,SRC3,SRC4,SRC5,EXC0,EXC1,SRC6,SRC7,Imd,Imd16,D16,D16,EXC2,4. 单操作数的算逻指令流程 （1）FI同双操作数的算逻指令； （2）DST与双操作数的算逻指令流程基本一致，只是 取出的目的操作数直接放在RA中，而不是SR中。（3）EXC流程如下,移位指令流程 （1）FI和DST同双操作数的算逻指令 （2）EXC如下,6、转移指令流程,取指,转移指令,PC MAR,PC MAR,M w MDR RA PC+1 PC,PC+1 PC,PC RB,PC RB,RA+RB PC,RA+RB PC,PC+1 PC,FI,JMP,JX,JO，JS，JP，JZ，JC,JX,EXC0,EXC1,EXC2,EXC3,EXC4,D8,M B MDR RA PC+1 PC,D16,设计控制部件的两种方式 组合逻辑控制和微程序控制,第三节 微程序控制部件的组成与设计,一、微程序控制概念,1、微程序执行过程的描述 一条指令对应的微程序的执行过程是：,（1）开机加电或复位时，由硬件将 PC设置为公共取指微程序的 第1条微指令所在的微地址值； （2）根据 PC的内容，将相应地址的微指令读入 IR中，译码后 发出微命令，在时序系统配合下，产生相应的微操作控制信 号，然后根据后继微地址的形成方式，修改 PC的内容，取 出后续微指令，直到完成一条机器指令的取指工作； （3）由IR中的操作码及微指令中指定的若干位微地址相拼接，通 过微地址形成电路，生成该条机器指令的微程序入口地址； （4）根据形成的微地址及后续微地址产生方式，将该条机器指令 相对应的微程序全部执行完毕，实现指令功能； （5）返回公共取指微程序，取出下一条机器指令，如此反复。,2、基本概念和术语 （1）微命令与微操作,微命令：最小单位的控制信号，如开/关控制门等 微操作：由微命令控制实现的基本操作,微命令字段（微操作控制字段）： 记录各微操作所对应的控制信号 顺序控制字段（微地址字段）： 记录下一条将要执行的微指令地址 微周期： 从CM中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间,（2）微指令与微周期 微指令：若干个微命令的组合，实现可并行的操作,（4）工作程序与微程序、主存储器与CM 工作程序：以机器指令为单位存放在主存中 微程序：以微指令为单位存放在CM中 不能互相取代,（3）相容性和相斥性微命令 相容性微命令：在一个微周期可同时发出的微命令 相斥性微命令：同一个微周期不能同时发出的微命令,（1）直接控制编码（不译码法） 不译码： 每一位代表一个微命令，1有效 优缺点： 控制 简单、 速度 快、并行性 好 长度 长,二、微指令结构设计,1、微命令字段的设计,把相斥性微命令组合在同一字段中，采用编码方式存取。 把相容性微命令组合在不同字段中，各段单独译码。,（2）字段直接编译法,（3）字段间接编译法,2、微程序的顺序控制 （一）微程序入口地址的形成 应根据IR中的机器指令操作码来形成。 例：由IR中的操作码及微指令中指定的若干位微地址相拼接,（二）后继微地址的形成 （1）计数器增量方式：PC,顺序执行 转移方式=J0， PC+1 = PC，由 PC提供后继微地址 无条件转移： 转移方式=J1，由转移微地址字段给出转移的微地址 条件转移： 转移方式=J2，条件成立，则由转移微地址字段给出转移的微地址,（2）断定测试转移方式,微程序顺序执行时： 由下地址字段直接提供后继微地址 微程序有分支时： 由测试字段给出应测试的状态，根据测试的状 态标志位产生相应的后继微地址,三、微指令格式 1、水平型微指令 一条微指令中并行定义多个微命令，并且在数据通路 中能够并行执行多种微操作的微指令格式。一般采用 直接控制编码、字段直接编码及字段间接编码。 并行性高，长度长,2、垂直型微指令 类似于机器指令操作码的设计方式，对微操作码 字段进行编码，并行能力低,四、微程序