计算机组成原理第5章.ppt

1 第五章中央处理器 2 5 1CPU的结构与工作原理 一 CPU的功能与结构 1 CPU的功能 指令控制 程序执行过程 时长及次序 操作控制 时间控制 数据加工 中断处理 3 2 CPU的基本结构 CPU基本结构 寄存器 运算器 CU BIU 中断机构 通路 CPU功能与组成部件 指令控制 操作控制时间控制数据加工 中断处理 PC IR 指令译码器ID ALU及状态REG REG组 中断机构 4 3 CPU的寄存器组织有用户可见寄存器和控制 状态寄存器两大类 用户可见寄存器 存放地址及数据 条件码REG 数据REG 地址REG 通用REG 5 控制 状态寄存器 控制CPU的操作或运算 PC 存放指令地址 作循环变量使用 通常具有计数功能 顺序型指令占绝大多数 IR 存放当前指令内容 MAR 存放CPU所访问存储单元或I O设备的地址 MDR 存放CPU欲写出或已读入的信息 数据或指令 程序状态字REG PSW 存放程序执行状态 其他REG 如段REG 系统模式REG等 6 二 CPU的工作流程 指令周期 CPU取出并执行一条指令的时间 指令周期的特征 不同指令类型及寻址方式的指令周期可能不同 7 三 指令执行过程 1 指令的执行过程 取指令阶段 取指令操作步骤 分析指令结果 PC MAR 访问MEM MDR IR 1 PC 执行指令阶段 操作步骤 8 指令执行过程的特征 指令执行过程由若干有序的操作组成 取指令阶段的操作及步骤基本上是通用的 执行指令阶段的操作及步骤受指令格式的影响 9 2 指令执行过程与CPU的基本操作 指令执行过程 由若干有序的基本操作组成 CPU的基本操作类型 由CPU结构及指令执行过程确定 REG间传送 存储器读 存储器写 算逻运算 R源1及R源2 ALU 运算 R结果 R源 R目标 MAR MEM 读 MDR MAR及MDR MEM 写 例1 指令R1 R0 执行过程的CPU基本操作序列 R0 MAR 存储器读 MDR R1 10 3 CPU的基本操作与微操作 术语 微操作 CPU内部的原子操作 不能再细化的操作 微操作序列 有序排列的微操作串 1 寄存器间数据传送操作 操作步骤 利用CPU内部数据通路直接实现数据传送 2 存储器读操作 操作步骤 发地址信号 发读信号 等待操作完成 接收数据 微操作序列 1 Read 实现MAR ABus Read CBus操作 M MAR MDR 实现等待完成 DBus MDR操作 微操作序列 R源 R目标 11 3 存储器写操作 操作步骤 发地址信号 发写信号 发送数据 等待操作完成 微操作序列 1 Write 实现MAR Bus Write CBus操作 MDR M MAR 实现MDR DBus 等待完成操作 12 4 算术逻辑运算操作 操作需求 ALU为组合逻辑部件 运算过程中 入端数据稳定 运算结束时 出端数据存到稳定部件 微操作序列 R源1 ALU R源可为MDR R源2 ALU R源1 R源2的数据通路不冲突时 可并行 OP ALU OP种类由ALU功能决定 ALU R结果 R结果可与R源为同一寄存器 操作步骤 2个源寄存器数据送ALU入端并保持 向ALU发运算命令 运算后数据送结果寄存器 13 例2 指令R1 R0 执行过程的微操作序列 例3 指令R2 R0 R1 执行过程的微操作序列 14 四 数据通路组织 数据通路 是CPU内部部件间传递数据的物理通道 有总线通路 专用通路两种 数据通路对指令执行过程的影响 微操作序列 微操作步序列 数据通路决定了步数 术语 微操作步 能够并行执行的微操作 微操作步序列 有序排列的微操作步串 指令执行性能 指令执行过程微操作序列所对应微操作步序列的执行时间 数据通路的影响 决定了指令执行性能 影响运算器组织方法 15 1 总线数据通路有单总线通路 双总线通路等多种类型 1 单总线数据通路 连接方式 各部件的输入 输出引脚连接到同一条总线上 微操作特性 同时只能执行一个数据传送操作 即连续的数据传送操作必须串行执行 16 3 单总线通路CPU的指令执行过程以基于REG的CPU为例 假设PC具有计数功能 例2 单字长的取数指令R1 R0 的微操作步序列 t1 PC MAR 1 Read 用 PC 读MEMt2 PC 1 PC M MAR MDR PC 1 t3 MDR IR 指令 IR t1 t3 略t4 R0 MAR 1 Read 用 R0 读MEMt5 M MAR MDR 等待操作完成t6 MDR R1 1 End 数据 R1 例1 取指令阶段的微操作步序列 对所有指令通用 注 PC MAR与1 Read可放在同一步 MAR仅起传递作用 PC MAR与 PC 1 PC不能放在同一步 部件使用冲突 注 End为 指令周期结束 信号 可触发进入下个CPU周期 17 例3 单字长的存数指令 R1 R0 的微操作步序列 t1 t3 略t4 R1 MAR 1 Write 用 R0 写MEMt5 R0 MDR MDR M MAR 1 End 写到 R1 单元 注 R1 MAR与R0 MDR不能放在同一步 总线使用冲突 例4 单字长的加法指令R2 R0 R1 的微操作步序列 t1 t3 略t4 R0 Y Y ALU不受限制t5 R1 ALU ADD ALU ALU Z R0 R1 Zt6 Z R2 1 End Z R2 注 R1 ALU与ALU Z可放在同一步 使用不同通路 18 5 2控制器的组成与工作原理 CPU工作流程的实现 控制器的主要功能 指令控制 操作控制 时间控制 中断处理 循环地执行微操作步序列的所有微操作 产生CPU工作流程对应的操作控制信号 实现操作控制信号的时序 时长及次序 检测中断请求 适时进行处理 循环地按 PC 取指令 执行指令 改变 PC 19 一 控制器的基本结构 基本结构 由CU BIU 中断机构组成 种类 硬布线控制器 微程序控制器 工作原理 循环地产生实现CPU功能的微操作控制信号 20 二 时序系统组成 时序系统的目标 提供循环的 微操作级的时间基准信号 1 CPU工作流程的相关周期及时序 CPU工作流程 21 1 机器周期 机器周期 CPU工作流程中的基本过程所需的时间 机器周期长度 通常以总线周期为基础确定长度 机器周期的表示 CPU工作流程由n个机器周期组成 每个机器周期各用一个触发器表示其状态 22 2 节拍周期 又称时钟周期 节拍周期 CPU内部最基本操作 即微操作 所需的时间 节拍周期长度 max 微操作时长 节拍周期的表示 每个机器周期由m个节拍周期组成 每个节拍周期用一个触发器表示其状态 23 3 节拍脉冲 又称节拍状态 工作脉冲 节拍脉冲 微操作内部操作控制所需的时间 24 三 微操作控制信号的时序控制方式 指微操作控制信号的定时方式 又称控制器的控制方式 1 同步控制方式微操作控制信号的时序受统一的基准时标信号控制 25 2 异步控制方式微操作控制信号的时序只受专门的应答线路控制 应答协议 握手协议 原理 应答线路的时序约定发出操作信号后 在对方发出完成信号时 才结束操作 26 3 联合控制方式同步控制与异步控制相结合的方式 又称准同步方式 即 基础为同步控制方式 处理CPU内部操作可实现同步 异步 同步控制方式 处理CPU对外部操作 27 四 微操作控制信号的形成 1 CPU基本操作的实现与微操作命令序列 CPU功能实现 执行微操作步序列 28 例1 单总线通路CPU中 写出指令R2 R0 R1 的微操作命令序列 解 指令的微操作步序列 t1 PC MAR 1 Readt2 PC 1 PC M MAR MDRt3 MDR IRt4 R0 Yt5 R1 ALU ADD ALU ALU Zt6 Z R2 1 End t1 PCout MARin Readt2 PC 1 WMFCt3 MDRout IRint4 R0out Yint5 R1out ADD Zint6 Zout R2in End 指令的微操作命令序列 29 2 微操作控制信号的形成 微操作控制信号的有效条件 有效条件 序列名 微操作步序号 序列内部 30 微操作控制信号形成电路 功能 按照约定功能实现需求 适时使相应控制信号有效 组成 实质上是个编码器 类型 与控制器类型 硬布线 微程序 相对应 31 5 3硬布线控制器 时序系统 采用三级时序 循环周期为CPU工作流程 一 硬布线控制器的基本结构 核心部件 为CU CU的核心为微操作控制信号形成电路 基本结构 与原理图完全相同 32 二 微操作控制信号形成电路的设计方法 第 步 列出所有的微操作命令序列根据指令功能需求 CPU结构列出 并划分成子序列 第 步 确定时序系统相关参数根据子序列个数及大小的规律确定 包括节拍周期 机器周期 CPU工作流程的组成参数 第 步 形成所有微操作控制信号的有效逻辑表达式 a 调整微操作命令序列 尽量规整化 b 列出所有微操作控制信号的使用时间表 c 形成所有微操作控制信号的逻辑表达式 第 步 画出微操作控制信号形成电路及与相关部件连接图 33 5 4微程序控制器 一 微程序控制思想 微程序控制思想 类似于存储程序原理 术语 微命令 微操作控制信号 微操作是微命令实现的功能 微指令 用格式及编码表示 同时执行的一组微命令 微程序 完成特定功能 如机器指令 的微指令序列 控制存储器 专用于存放微程序的存储器 简称控存 CM 控制器自动 逐条取出微指令并执行 控制器设计简单 将微操作命令序列编写成微程序 微指令串 所有微程序存放在专用的只读存储器中 微指令周期 取出并执行一条微指令的时间 34 微程序与微指令 微程序种类 取指 中断等公用微程序 指令操作微程序 35 二 微程序控制器的组成原理 1 微程序控制器的基本组成 微操作控制信号形成部件 由CM 微指令部件等组成 时序系统 只由节拍脉冲组成 微指令部件 AR IR 操作控制译码及微地址形成电路 36 2 微程序控制器的工作原理 微指令执行过程 取微指令 CM AR IR 执行微指令 IR 操作控制译码电路 微操作实现 微地址形成电路 下条微指令地址 37 微程序执行过程 按微程序的逻辑顺序 逐条执行 微程序的微指令寻址 末条为跳跃寻址 其余为顺序寻址 38 微程序控制器的工作原理 循环地产生按 AR 取并执行微指令的微操作控制信号 AR的初值 系统启动时由硬件直接给定 与硬布线控制器比较 循环周期非CPU工作流程 39 三 微指令格式及编码方式 组成 操作控制字段 可表示所有微命令 定长编码 种类 有水平型和垂直型两种格式 按操作控制字段的功能分 水平型微指令格式 能同时定义并执行多个微命令的微指令格式 顺序控制字段 寻址方式须显式表示 40 垂直型微指令格式 两种微指令格式比较 水平型格式微操作能力强 灵活性强 效率高 水平型格式执行机器指令速度快 水平型格式微程序代码效率低 41 2 微指令的编码方式指操作控制字段的编码方式 又称为微指令控制方式 子字段中微命令特性 各微命令互斥 同时有效数 1个 42 字段间接编码方式 间接控制方式部分微命令用多个子字段编码的逻辑组合表示 编码方式的应用 水平型微指令 三种方式均可 长度与速度的权衡 43 四 微指令地址形成方式 指微指令形成下条微指令地址的方式 即微指令寻址方式 微指令寻址类型 顺序型寻址 AR AR 1 跳跃型寻址 AR 目标地址 1 微指令地址的形成方式 计数器法 增量法 AR AR 1 显式或隐式表示 应用 适用于顺序型微指令 44 下址法 AR 下址字段 显式表示 应用 适用于无条件转移型和顺序型微指令 45 五 微程序控制器设计 第 步 列出所有的微操作命令步序列根据指令功能需求 CPU结构列出 同硬布线控制器 第 步 设计微指令集格式确定微指令格式类型 水平型 垂直型 按CPU的性能目标确定操作控制字段编码方式 按微命令使用规律确定微地址形成方法 按微程序调用规律 第 步 微程序设计编制各功能模块的微程序 确定在CM中的存放位置 第 步 设计相关电路设计控制信号译码电路和微地址形成电路 46 5 5CPU举例 1 Intel8086 8088CPU基本参数 指令系统相关约定 数据的表示 定点整数 浮点数 字符 逻辑数等 8b 16b 16b 32b 8b 8b 16b CPU的相关参数 机器字长 16位 浮点运算通过Intel8087实现最大主存空间 1MB 最大主存地址空间为1MB 1B 1M 数据总线宽度 8086为16位 8088为8位 准16位CPU 20位地址 BHE 20位地址 主存单元长度 字节 Byte 数据寄存器 数据长度为16位 地址长度为3位 47 通用REG 8个16位REG 其中4个可用作8个8位REG 寄存器组织 IP 与PC同作用 命名不同 与IR对应的寄存器未标出 包含在 EU控制系统 中 内部暂存器 与MDR同作用 其它功能REG 与MAR对应的寄存器未标出 输出端后 指令队列 由6个8位移位