第6章 中央处理器掌握 14学时

1 本章重点 中央处理器这一章是重点和难点 组成原理考试几乎必考的章节 2 第6章中央处理器 早期习惯将计算机分成运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备5大部件 随着集成电路的出现 出现了微处理器 将运算器和控制器集成在一个芯片上 称为中央处理器 CPU 机器刚加电时 如果不采取措施 则RAM及寄存器的内容都是处于随机状态 CPU执行的不一定是操作系统的内容 为了保证正常工作 机器内都在固定的地址设有ROM 存放固定的程序 使得每次启动计算机时 都能从正确的入口开始执行程序 计算机的工作过程 加电 产生reset信号 执行程序 第一条指令 关机 停电 3 6 1计算机的硬件系统 1 Intel80386微机系统80386微处理器 用来处理控制各部件及负责从内存中读写数据 80384时钟发生器 产生时钟信号和reset信号 PC 0FFFFFFF0H 这是第一条执行指令的地址 80387协处理器 主要完成浮点数运算和高精度数运算 总线控制逻辑 用于控制CPU与存储器和I O设备交换数据 存储器与输入输出系统 存放数据和指令 完成输入输出操作 DMA控制器和中断控制器 为让CPU与外设能够并行工作所需要的一些控制电路 与快速外存交换数据中断控制器 与慢速外设交换数据2 80386结构及外部引脚数据线 32位 可实现双向数据传送 地址线 32位 最大可访问4G内存单元 时钟信号线 电源线地线 控制线 4 6 2控制器的组成 6 2 1控制器的功能1 取指令 到内存取指令 要送出地址和控制信号 2 分析指令 也叫指令译码或解释指令 分析要给出什么样的操作控制命令 3 执行指令 形成相应的操作控制信号时序 计算机不断重复这3种基本操作 此外控制器还应具有的功能 4 控制数据的输入输出 也是通过执行程序完成 5 对异常情况和请求处理 机器出现数据运算溢出 外部有请求时及时处理 5 6 2 2控制器的组成 1 程序计数器 PC 放当前执行的指令地址或下一条要执行指令的地址 一般是这种情况 2 指令寄存器 IR 放当前正在执行的指令 3 指令译码器 分析IR中的内容 4 脉冲源及启停线路 控制时序信号的发生和停止 是机器周期和工作脉冲的基准信号 5 时序控制信号形成部件 根据当前正在执行指令的需要 产生相应的时序控制信号 为增加CPU的效率 1 CPU内还有一个指令队列 可预取若干条指令 2 第一条指令未执行完就开始执行第二条指令 流水线技术 为有利于掌握基本原理 现做简化假设 1 指令长度固定 2 CPU从主存中取指令 分析 执行 6 6 2 3指令执行过程 1 组成控制器的基本电路具有记忆功能的电路 如触发器没有CP信号 输入变 输出不变 多个组合在一起构成记忆多位数 没有记忆功能的门电路 如运算器 输入变 输出就变 CPA CPB 1 1 1 0 7 6 2 3指令执行过程 2 指令执行过程举例假设指令格式为 如 ADDAX BX 2 加法指令完成的操作 1 取指令 送指令寄存器DB IR 2 计算地址 将计算出来的有效地址送 BX 2 AR 3 到存储器中取数DB DR 4 进行加法运算 结果送寄存器AX DR AR共需要4个机器周期 每个周期需要两个时钟信号 8 6 2 3指令执行过程 指令周期 执行一条指令所用的时间 机器周期 完成一个相对独立的功能所需要的时间 每条指令可以再细分为若干个机器周期 时钟周期 节拍 一个脉冲信号的时间 每个机器周期包含有如干个时钟 指令周期ADDAX BX 2 机器周期时钟周期CLK 9 通用寄存器GR 地址寄存器AR 数据寄存器DR 程序计数器PC NZVC IR ADDAX 2 BX T1 1PC AB 21ADS 1 22M IO 1 23W R 0T2 5DB IR 3PC 1 PC T1 8rs1 BX GR 10rs1 BX ALU 4disp 2 ALU 13 T2 19ALU AR T1 20AR AB 21ADS 1 22M IO 1 23W R 0T2 6DB DR T1 9rs AX GR 11rs AX ALU 12DR ALU 13 T2 17ALU GR AX 10 按照此方式写出SUBAX BX 4 指令的操作过程下一节介绍控制信号是如何产生的 有微程序控制和硬布线控制两种方法 11 6 3微程序控制计算机的基本原理 6 3 1微程序控制的基本概念1 微操作 一条指令执行的基本操作 也叫微命令2 微指令 发出的控制信号所执行的一组微操作 3 微程序 微指令序列的集合 最终可以完成程序的功能 4 控制存储器 存放控制命令及下一条微指令的地址 一般计算机中的指令系统是固定的 所以微程序也是固定的 因此控制存储器一般用ROM 由于控制信号比较多所以控制存储器的字长比机器字长长的多 执行一条指令实际上就是执行一段微程序 同时 12 6 3微程序控制计算机的基本原理 6 3 2微程序控制的基本原理1 控制信号看前面的例题 如 ADDAX BX 2 加法指令完成的操作 1 取指令 送指令寄存器 2 计算地址 将计算出来的有效地址送AR 3 到存储器中取数 4 进行加法运算 结果送寄存器 T1 1PC AB 21ADS 1 22M IO 1 23W R 0T2 5DB IR 3PC 1 PC T1 20AR AB 21ADS 1 22M IO 1 23W R 0T2 6DB DR T1 9rs AX GR 11rs AX ALU 12DR ALU 13 T2 17ALU GR AX T1 8rs1 BX GR 10rs1 BX ALU 4disp 2 ALU 13 T2 19ALU AR 13 6 3 2微程序控制的基本原理 微指令最简单的组成方式是将每个控制信号用一个控制位来表示 当该位为1时 定义位控制信号 为0时 没有控制信号 上例中 共23个控制信号 P183 如果控制存储器为4K 则每条微指令还需要12位来表示下一条地址 指令格式 取指令计算地址取数加法运算 加法指令的四条微命令编码 由指令译码器给出首地址101 下条指令地址102 14 6 3 2微程序控制的基本原理 微程序的流程图表示 取指令是公共的 下一条地址由操作码译码产生 15 6 3 2微程序控制的基本原理 2 微程序控制器简框图 微指令寄存器 16 17 6 3 2微程序控制的基本原理 3 时序信号及控制脉冲的形成在一个机器周期内设置多少个工作脉冲 机器周期时间多长 是由设计者根据逻辑设计和电路性能决定的随机器而异 4 电路配合中常见问题由于电路内部的问题及延时上有差距导致的毛刺 机器周期的时间应大于等于最长的一个微操作命令 在传送CLK和打入脉冲CP的信号线上不允许出现毛刺 18 6 4微程序设计技术 如何缩短微指令长度 如何减少微程序长度 如何提高微程序的执行速度 19 6 4 1微指令的编码译码方法 1 直接控制法 直接编码 在微指令控制字段中 每一位代表一个命令 6 3节中的方法 2 字段直接编译法 字段直接编码 计算机中的各控制门 在一个周期内不可能同时打开 如存储器的读写W R是互斥的 将互斥的微命令编成一组 进行编码可以缩短微指令的长度 编码时3位二进制数可以表示7个互斥的操作 另一个编码表示什么都不做 微命令译码器微指令寄存器3 字段间接编码在字段直接编码中 进一步编码4 常数源字段用来给某些部件送常数 20 6 4 2微程序流的控制 微程序流的控制 当前微指令执行完 如何产生后继微指令地址 1 由指令操作译码器产生后继地址 根据ADD SUB等不同指令产生不同的微指令地址 2 由微指令的下一条地址字段给出后继地址 3 第1条微指令地址由专门的硬件电路产生 4 顺序执行微指令时 以增量方式 常为1 产生后继地址 非顺序执行时 则要产生一个转移微地址 无条件转 5 增量与下一条地址结合产生后继地址 条件转 6 多路转移方式 对于条件转移可以有两路 大多数 和4路转移居多 多条件转 7 微中断 CPU响应中断请求时 由硬件产生微中断程序的入口地址 21 6 4 3微指令格式 1 水平型微指令6 3节例子中使用的 采用直接控制法进行编码的微指令 2 垂直型微指令设有微操作码字段 由微操作码规定微指令的功能 通常一条微指令只要求能控制一 二种微操作 与指令类似 不强调并行能力 3 比较 22 6 4 4微程序控制存储器和动态微程序设计 1 微程序控制存储器一般由ROM组成 如果部分用RAM 有利于扩充和修改 但开机后要从外存引导到内存 2 动态微程序设计如能根据用户要求改变微程序 那么这台计算机就具有动态微程序设计功能 3 控制存储器操作 1 串行方式取微指令 执行微指令 取微指令 执行微指令 周而复始 2 并行方式取微指令 执行微指令取微指令 执行微指令有重叠 6 4 5微程序设计语言 沿用了程序设计语言的方法 23 6 5硬布线控制计算机 控制信号是通过逻辑电路直接产生的 所以又叫组合逻辑方式 1 用计数器译码器形成机器周期时序和节拍信号 2 操作控制命令由硬布线逻辑构成通常可由PLAPALGAL电路构成 3 与微程序控制的比较 24 6 6控制器的控制方式 每条指令和每个微操作所需的执行时间不同 如何形成控制不同微操作序列的时序控制信号有多种方法 1 同步控制方法在任何情况下 一条已定的指令在执行时所需的时间节拍数都是固定不变的 具体还可以采用下面的方案 1 执行所有指令都用统一节拍的机器周期 2 采用不同节拍的机器周期 以解决微操作执行时间不统一的问题 3 中央控制与局部控制相结合 将大部分指令安排在统一的较短的机器周期内 特殊复杂指令 如乘除 法指令 浮点运算 另行处理 2 异步控制方式每条指令 每个微操作需要多少时间就占用多少时间 靠应答信号来联系 3 联合控制方式同步和异步相结合 大部分指令统一操作 小部分区别对待 靠应答 4 人工控制为调机和软件开发需要 增加手动复位键 连续和单步执行开关等 25 6 7流水线工作原理 前面讲过的ADD例题里 在4个机器周期内取指令与取操作数访问内存 运算器空闲 计算地址和加法计算ALU忙而不需要访问内存 如果控制器调度恰当 可以提高CPU的效率 1 流水线基本工作原理顺序执行的指令流为 取指令1计算地址1取数1