CPU基本组成模型寄存器组成.ppt

第三章CPU原理,掌握：CPU基本组成模型（寄存器组成、数据通路结构），同步控制方式与常见时序信号，微命令（脉冲、电位），熟练掌握指令流程（能拟出给定指令的流程）。理解：进位链，ALU组成，补码加减，移位，浮点加减，无符号数一位乘、除，组合逻辑控制器（产生微命令方法、优缺点），微程序控制器（基本思想、优缺点）。了解：十进制运算，浮点乘、除法，微指令格式、编码方法、顺序控制方法。,3-1运算器,运算器包含：ALU、用于运算的寄存器；控制器包含：微操作信号发生器、时序系统、用于运控制的寄存器。系统总线寄存器控制器运算器（ALU）CPU,3-1运算器,CPU的功能数据加工（运算器）对数据进行算术和逻辑运算处理；指令控制（控制器）指令的执行次序，严格按顺序；操作控制（控制器）由指令产生操作控制信号/微命令；时间控制（控制器）对各种操作实施时间上的控制/时序；算术逻辑运算部件ALUALU的主要作用完成二进制代码的定点算术运算和逻辑运算。ALU的核心是加法器。加法器全加器AiBiCii,Ci+1可以用两个半加器构成的全加器;I=AiBiCiCi+1=AiBi+(AiBi)Ci,3-1运算器,并行加法器的进位并行加法器：N位同时进行，由进位链实现进位信号Ci的传递。设：A=An-1An-2Ai.A1A0B=Bn-1Bn-2Bi.B1B0则：Ci+1=AiBi+(AiBi)Ci令：Gi=AiBiPi=AiBi于是：Ci+1=Gi+PiCi串行进位：使用进位线将n个全加器串接起来，进位延迟时间较长。节省器件，成本低。,3-1运算器,并行进位：各级进位信号同时形成，增加硬件逻辑线路，有效地减少进位延迟时间。（同时进位）（见P61图3-3）以4位加法为例C1=G0+P0C0C2=G1+P1C1=G1+P1G0+P1P0C0C3=G2+P2C2=。C4=G3+P3C3=。通过上式可以发现Ci可同时形成。对于长字长的加法器通常采用分组进位结构：组内并行、组间串行进位链组内并行、组间并行进位链ALU举例SN74181介绍（见P62图3-4）内部结构；功能：4位ALU完成16种算术逻辑运算；4片SN74181和1片SN74182组成一个16位的组间并行进位ALU。（见P63图3-6）,3-2运算方法,定点加减运算原码加减由操作码、操作数的符号决定最终的操作，结果的符号判断复杂；繁琐，硬件复杂；补码加减X+Y补=X补+Y补X-Y补=X补+-Y补补码表示，符号参加运算，结果为补码表示；例X补=00110110Y补=11001101X+Y补X-Y补0011011000110110+11001101+0011001110000001101101001,3-2运算方法,溢出的判断运算结果为正，且大于所能表达的最大正数，称为正溢出；运算结果为负，且小于所能表达的最小负数，称为负溢出；溢出判断方法：P66单符号位判断溢出=AnBnSn+AnBnSn最高有效位的进位判断P67变形补码（双符号位）00为正，11为负（运算时扩充）结果01正溢出，10负溢出（判断）例P67变形补码请同学们练习P111第3题（2）第4题（2）,3-2运算方法,移位逻辑移位、循环移位和算术移位；逻辑移位无数值意义的二进制码，左移时低位补0，右移时高位补0；循环移位闭合移位环路算术移位带符号数的移位，左移一位相当于乘2，右移一位相当于除2；原码P68补码右移补码左移浮点加减运算规格化浮点数具有唯一的表示形式和最长的有效位；运算与实现（例P70）X=Mx*2Ex，Y=My*2Ey对阶操作：小阶向大阶看齐，尾数右移；求E=Ex-Ey尾数相加减：定点数的加减；规格化和判溢舍入：常用恒置1法,3-2运算方法,课本P111第5题解：EX补=11，01MX补=00.110111EY补=11，10MY补=11.010111E补=Ex补+-Ey补=1101+0010=1111E=-1，故X的阶码较小，要对阶尾数MX补右移一位，阶码EX补加1，得EX补=11,10MX补=00.011100（1入）尾数求和：MX补+MY补=11.110011尾数为非规格化数，需要左规，即尾数左移两位，阶码减2，即X浮+Y浮=1100；11.001100十进制加减运算转换为二进制后进行运算；BCD码运算BCD码指令二进制码指令，然后进行校正（加6校正）,3-2运算方法,定点数乘除运算无符号数手算算法无符号数一位乘法思想：将N位乘转换为N次累加与移位，即每次只求一位乘数所对应的新部分积，并与原来部分积作一次累加，然后右移一位。P73硬件实现图3-9,3-2运算方法,运算过程举例：P111第6题（1）B：1001被乘数A：0000C：1101乘数00001101C0=1累加1+B10011001移位101001110C0=0累加2+000000100移位200100111C0=1累加3+B10011011移位301011011C0=1累加4+B10011110移位401110101（结果）,3-2运算方法,无符号整数一位除法无符号整数手算算法从被除数或余数中减去除数，然后判断，够减商1，否则商0；硬件逻辑线路判断恢复余数法：试探除法手工算法011010.10110.10010-0.01011除数右移1位，减0.001110-0.001011除数右移1位，减0.00001100.0001011除数右移1位，不减0.00001100-0.00001011除数右移1位，减0.00000001,3-2运算方法,不恢复余数除法当余数A0时，商1，下一步A左移一位，然后减去除数B；若余数A0时，商0，下一步左移一位，然后加除数B；除数N位，以上操作做N步；P76图3-12浮点数乘除运算乘法阶码相加，判溢出；尾数相乘；规格化。除法预置：检测除数、被除数是否为0；尾数调整：预防溢出；求阶差；尾数相除。,3-3模型机CPU,一、CPU模型基本组成：控制器：控制计算机内部各个部件的操作指令译码器（IR），时序系统，微操作信号发生器；运算部件ALU：实现指令指令指定的算术、逻辑操作ALU寄存器：存放指令地址、指令、操作数、结构等R0R3，C，D，Z，IR，PC，PSW，SP，MAR，MDRCPU内部总线、数据通路：连接CPU内各部件，为数据传送提供数据通路ALU总线，系统总线，传输控制门等；结构图如下:说明：实际的机器要繁杂的多，例子是精简过了的，只有骨髓,3-3模型机CPU,基本工作原理控制器是全机的指挥控制中心，其基本功能是执行指令，由微操作信号发生器根据指令产生控制信号序列以命令相应部件分布完成指定的工作；控制器既可以控制CPU内部的数据传送，使ALU完成指定功能和其他内部操作，也可以向CPU外部发出控制信号，控制CPU与存储器或I/O设备之间的数据传送。微操作命令是最基本的控制信号，通常直接作用于部件或控制门电路的控制信号，简称微命令。有电位型和脉冲型。,3-3模型机CPU,这些寄存器中：存放控制信息的寄存器：指令寄存器IR程序计数器PC程序状态字PSW存放数据的寄存器：通用寄存器R0R3暂存器C、D、Z堆栈指针SP与主存接口连接的寄存器：存储器地址寄存器MAR存储数据缓冲寄存器MDR其中：每个寄存器均为16位，D触发器，D端输入数据，CPU脉冲有效时，数据进入寄存器,3-3模型机CPU,（一）寄存器1、通用寄存器：R0R1R2R3特点：可编程访问，有多种用途（具体由编程指定，如：可存放操作数，结果，也可用作变址寄存器、地址指针和计数器等）2、暂存器C：暂存来自主存单元的内容不能放到通用寄存器，会破坏其原有的内容D：暂存一个送入ALU的操作数，具有左右移功能Z：存放ALU运算结果暂存器C、D、Z的特点：对程序员透明，不能编程访问。（因为它们没有地址编号，执行时会隐含使用它们）3、IR指令寄存器：存放正在执行的一条指令特点：不能编程访问（从主存中取出一条指令放在IR中，指令译码器对其进行分析）4、PC程序计数器,3-3模型机CPU,提供指令的地址，具有加1计数的功能有转移指令时，由指令将下条指令地址放到PC中5、PSW程序状态字寄存器PS存放现行程序的运行状态和工作方式，内容称为程序状态字PSWPSW包括：结果标志：近位标志C，溢出标志V，结果为0标志Z，结果为负标志S，奇偶标志P编程设定标志：单步标志T，中断标志I（允许CPU响应外部中断请求）6、SP堆栈指针SP用来存放栈顶单元的地址特点：可编程访问（有寄存器地址）7、与主存接口的寄存器MAR：存放CPU访问主存或I/O接口的地址MDR：存放CPU与主存或I/O接口之间传送的数据,3-3模型机CPU,（二）ALU运算部件ALU内部采用SN74181芯片，也是16位。可完成ADD、SUB、AND、OR、XOR、COM、NEG、A1、A1、B1、B1的运算功能（三）控制部件微操作信号发生器、指令译码器、时序系统产生控制信号、控制CPU内部和外部各部件的操作控制部件产生的控制信号向CPU内部发送：控制寄存器之间的数据传送、ALU的运算向CPU外部发送：CPU与存储器之间CPU与I/O接口之间的信息传送微操作信号发生器控制信号时序系统及外部的控制信号译码器PSW,3-3模型机CPU,（四）总线与数据通路结构（1）ALU总线又称为CPU内总线CPU内部设置一组16位双向总线，连接ALU与各寄存器（各寄存器连在ALU总线上，ALU分时共享）（2）系统总线CPU、主存储器、I/O接口都是连接在系统总线上包括：16根地址总线、16根数据总线、控制总线通过MAR向地址总线提供访问主存单元或I/O接口地址通过MDR向数据总线发送或接收数据主要用来提供CPU与主存储器、CPU与接口之间数据传送的通路二、模型机中的数据传送1、寄存器之间的数据传送直接通过ALU总线传送数据，具体传送由输出门和打入脉冲控制操作：RiRj路径：Ri，ALU总线,Rj控制信号序列：Riout，CPRj,3-3模型机CPU,2、主存到CPU的数据传送（通过系统总线传送）例：存储器中取指令到指令寄存器IR操作：MIR（地址在PC中）路径：PC,ALU总线，MAR，AB，M，DB，MDR，ALU总线，IR控制信号序列：PCout,CPMAR,EMAR,RD,SMAR,MDRout,CPIR3、CPU数据写入主存通过系统总线传送数据数据在R2中，存储单元地址在R1中，将数据写入存储器的步骤（1）R1MAR（2）R2MDR（3）MDRMMARMDRALU总线R1R2,3-3模型机CPU,4、执行算术或逻辑操作要求一个操作数在D中，另一个操作数来自内总线R1R2R3ALU总线D1R1AB2ALUR23Z4R3,3-4指令的执行过程,一、指令的执行过程执行过程分3个阶段取指令：PC提供地址的内存单元到IR；PC提供地址；从M中取出指令到IR；修改PC内容指向下条指令地址分析指令：由IR中的指令产生微操作命令序列；执行指令取操作数执行操作形成后继地址指令间的衔接方式串行的顺序方式完成一条指令的执行后才开始取下一条指令；控制简单，效率低。并行的重叠方式在分析执行一条指令运算的同时，预读取下一条指令；（前提执行分段）提高了效率和运算速度，流水线支持。,3-4时序控制方式,二、时序控制方式是指微操作与时序信号之间采取何种关系每一条机器指令都可以分解为一个控制信号序列，指令的执行过程就是依次执行一个控制信号序列的过程，各步操作是有先后次序的，因此引入时序信号控制。1、同步控制方式：每条指令的执行和指令中各个微操作都由统一的时序信号同步控制；基本特征：操作时间被分成若干长度相同的时钟周期/节拍，所有微操作被按时间顺序先后分配到各个节拍上完成；节拍长度：定为完成CPU内部花费时间最长的微操作优点：控制集中，简单，设计实现容易。2、同步控制方式的多极时序系统在CPU中为实现同步控制，必须设置时序系统，产生统一的时序信号（1）多级时序的概念：将时序信号划分为几级指令周期：,3-4时序控制方式,指令周期：从取指到指令执行完成所需的时间，指令不同长度不同。CISC机器周期：一个指令周期通常划分为若干个机器周期/CPU周期；如：取指周期，存储器写周期和存储器读周期等。时钟周期：一个机器周期又含若干个相等的时间段，称时钟周期/节拍，它是处理操作的最小单位；时钟脉冲：时序系统的基本定时信号，时钟周期的宽度与时钟脉冲的周期一致，由时钟脉冲的后沿实现周期切换。,3-4时序控制方式,异步控制方式指令的指令周期可以由不等的机器周期数组成，无固定的周期节拍；无统一的时序，各操作之间的衔接通过“结束-起始”联络信号实现；联合控制方式以上两种方式的结合组合逻辑控制器按产生控制信号的方式不同，控制器可以分为组合逻辑控制器和微程序控制器两种类型。第五节以组合逻辑控制器为例，讨论模型机的指令系统、时序系统和指令执行流程以及微命令的产生等情况。第六节介绍微程序控制器。,35模型机的指令系统,模型机的指令系统一、指令格式见P87双操作数指令如：ADD，SUB，MOV等单操作数指令如：INC，DEC等转移指令如：JMP，JSR等可编程寄存器有七个，编号如下：通用寄存器R0R3000011堆栈指针SP100程序状态字PSW101程序计数器PC111,35模型机的指令系统,二、寻址方式模型机采用按字编址，字长16位，主存每个单元16位。采用定字长指令格式，指令字长16位，操作数字长16位（1）立即数寻址方式；（2）寄存器寻址方式；（3）存储器寻址方式：直接寻址方式寄存器间接寻址方式自减型寄存器间址方式自增型寄存器间址方式变址方式模型机寻址方式简表类型寻址方式汇编符号可指定寄存器0型寄存器寻址RR0R3，SP，PSW1型寄存器间址(R)R0R3，SP2型自减型寄存器间址-(R)R0R3，SP3型自增型寄存器间址(R)+R0R3，SP，PC3型立即数寻址(R)+/PCR0R3，SP，PC4型直接寻址DIPC5型变址寻址X(R)R0R3，SP，PC,35模型机的指令系统,例子指令“ADDR0，R1”：（将R1和R2的内容相加，结果放到R0中）例如：MOVR1，（R3）寄存器寻址方式寄存器间址寻址方式000001000011001操作码目的源例如：立即寻址MOVR1，（PC）PC操作码、寻址PC+1立即数MOVR1，（PC）PC+1下条指令,35模型机的指令系统,例如：MOVR1，DI从存储器取得指令，PC1PC，取操作数地址CPU存储器，获得操作数，放入R1.例如：MOVR1，X（R2）PC操作码、寻址位移量下一条指令（R2）位移量操作数获得指令CPU；PC1PC；按PC地址取出位移量R2；按此地址获得操作数。,35模型机的指令系统,三、操作类型P901、传送指令MOV传送，操作码0000功能：实现立即数R，立即数M，RR，RM，MR，MM，堆栈操作，I/O操作。2、双操作数算术运算逻辑指令ADD加，操作码0001SUB减，操作码0010AND逻辑与，操作码0011OR逻辑或，操作码0100EOR异或，操作码01013、单操作数算术逻辑指令COM求反，操作码0110NEG求补，操作码0111ING加1，操作码1000DEC减1，操作码1001SL左移，操作码1010SR右移，操作码1011,35模型机的指令系统,4、程序控制类指令（1）转移指令JMP，操作码1100151211986543210操作码寄存器号寻址方式NZVC转移地址转移条件05全0，表示无条件转移000001，C0转移100001，C1转移000010，V0转移100010，V1转移000100，Z0转移100100，Z1转移001000，N0转移101000，N1转移,35模型机的指令系统,（2）转子指令JSR，操作码1101执行JSR指令时，将返回地址压入栈保存，然后按寻址方式获得子程序入口地址送入PC中。（3）返回指令RST，操作码1100RST的功能是从栈顶取出返回地址送入PC，因此只能使用自增型寄存器间址，且指定寄存器为SP“JMP（SP）”指令完全等效RST的功能。四、指令流程一、模型机时序三级时序：工作周期、节拍（时钟周期）、工作脉冲1、工作周期取指周期FT源周期ST目的周期DT用于控制指令的正常执行执行周期ET中断周期ITDMA周期DMA用于控制I/O传送,35模型机的指令系统,设置6个触发器，分别作为6个周期状态标志1，表示工作周期开始0，表示工作周期结束在指令执行过程中，任何时候只能有一个触发器为“1”。,FT,ST,DT,ET,DMA请求,DMAT,Y,中断请求,N,DMAT,转移指令,单操作数指令,双操作数指令,FT：访存、取指令、修改PC公操作,ST：按源寻址方式形成源地址，取出源操作数，存放于暂存器C中。,Y,N,DT：按目的寻址方式形成目的地址，或取目的操作数，存放于暂存器D中。,ET：将操作码完成相应操作（传送、运算）,按操作码完成相应操作（传送、运算）转移地址送PC，返回地址压栈保存。,35模型机的指令系统,2、时钟周期（节拍T）节拍时间：访问一次主存的时间。（可以向存储器写入，从存储器读出，CPU内存储器之间的传送，CPU寄存器内部之间的时间比向存储器写入的时间要短，但经常采用寄存器之间传送的时间）每个工作周期又划分为若干节拍；同样的时钟周期，不同的指令所需的节拍数各异；节拍发生器由计数器T和节拍译码器组成；T=0开始计数，若工作周期要延长则发T+1命令继续计数，工作周期完成发T=0复位命令。译码产生节拍状态T0，T1，T2，等作为操作的时间标志。工作周期结束时T清零3、工作脉冲P每个节拍结束时设置一个脉冲节拍T脉冲P打入寄存器进行时序转换,35模型机的指令系统,工作脉冲模型机在每一个节拍的末尾发一个工作脉冲，作为各种同步脉冲的来源。脉冲的后沿作为工作周期的切换的定时信号。指令流程以指令执行为线索，确定各周期每一节拍完成的具体操作（寄存器之间的传送操作）用寄存器传送语言描述（如R0MAR）例子,3-5组合逻辑控制器,指令流程P95图3-20取指流程图（公共）P97图3-21MOV指令流程图P99图3-22双操作数指令流程图P99图3-23单操作数指令流程图P100图3-24转移指令流程图P101图3-25转子指令流程图,35模型机的指令系统,传送类指令流程MOV（R0），X（R1）是一条传送指令，源地址采用变址寻址，目的地址采用寄存器间接寻址方式。请拟出其指令流程。解答：FT0PCMARFT1MMDRIRPC+1PCST0PCMARST1MMDRDPC+1PCST2D+R1ZST3ZMARST4MMARCDT0R0MARET0CMDRET1MDRM,35模型机的指令系统,运算类指令流程拟出ADDR0，R1的读取与执行流程。指令功能：R1和R0的内容相加，结果送入R0，运算通过ALU进行FT0：PCMARFT1:MMDRIRPC+1PCST0:R1CDT0:R0DET0:C+DZET1:ZR0拟出SUB（R1），DI的读取与执行流程。指令功能：将由直接寻址获取的源操作数与由寄存器间址获得的目的操作数相减，结果存入目的地址中。FT0:PCMARFT1:MMDRIRPC+1PCST0:PCMAR,35模型机的指令系统,ST1:MMDRMARPC+1PCST2:MMDRCDT0:R1MARDT1:MMDRDET0:C-DZET1:ZMDRET2:MDRM堆栈类指令流程拟出MOV(SP),(R2)的读取与执行流程。指令功能：将R2所指示的单元的内容压入堆栈中FT0:PCMARFT1:MMDRIRPC+1PCST0:R2MARST1:MMDRC,35模型机的指令系统,DT0:SP-1ZDT1:ZMAR、SPET0:CMDRET1:MDRM转移类指令流程拟出指令JSRR1的读取于执行流程。指令功能：将返回地址压栈保存，并将R1所存放的子程序入口送入PC。FT0:PCMARFT1:MMDRIRPC+1PCST0:R1CET0:SP-1ZET1:ZMAR、SPET2:PCMARET3:MDRMET4:CPC,组合逻辑控制器与微程序控制器,组合逻辑控制方式的基本概念与组合逻辑控制器一、微命令例如模型机如何取指令取指周期FT0：PCMARFT1：MMDRIR1、微命令是计算机中最基本的控制命令（控制最基本的微操作，入打开控制门，打入数据等）2、电位型微命令与脉冲型微命令（根据物理电信号的类型）在模型机中电位型微命令维持一个节拍的时间，用于控制逻辑门电路的开门/关门。例如：PCout为高电平时有效，16位输出门打开，指令地址送出到ALU总线脉冲型微命令用作定时控制（如寄存器的定时打入）地址从ALU总线MAR16位，CPMAR前沿出现时，将ALU总线上地址打入MAR,组合逻辑控制器与微程序控制器,二、组合逻辑控制方式及控制器原理1、如何产生微命令？PCoutCPMARPCOUTFT0MOVST0（变址寻址直接寻址立即寻址）MOVDT0（变址寻址直接寻址）意义：在取指周期的第一拍FT0发微命令PCOUT；或者传送指令的源采用变址、或直接寻址、或立即寻址，则在源周期的第一拍ST0发微命令PCOUT；或者传送指令的目的采用变址、或直接寻址，则在目的周期的第一拍DT0发微命令PCOUT；脉冲信号CPMAR是与工作脉冲同步产生的，脉冲P产生，才有CPMARCPMARFT0PMOVST0（变址寻址直接寻址立即寻址）PMOVDT0（变址寻址直接寻址）P意义：在取指周期的第一拍FT0，当工作脉冲P到来时，发微命令CPMAR或者传送指令的源采用变址、或直接寻址、或立即寻址等等，则在源周期的第一拍ST0当脉冲P到来时，发微命令CPMAR；或者传送指令的目的采用变址、或直接寻址，则在目的周期的第一拍DT0当工作脉冲P到来时，发微命令CPMAR；,组合逻辑控制器与微程序控制器,1、组合立即控制方式：用组合立即电路产生命令的方式2、采用组合逻辑控制方式产生微命令的控制器称为组合逻辑控制器。那么控制器需要什么部件？部件的功能是什么？3、组成逻辑控制器的工作过程4、组合逻辑控制方式的优缺点及应用1）基本思想综合化简产生微命令的条件，形成逻辑式，用组合逻辑电路实现。执行指令时，由组合逻辑电路（微命令发生器）在相应的时间发出所需的微命令，控制有关操作。2）优缺点产生微命令的速度快（1）设计不规整，设计效率低（不同的命令不同）控制器核心结果凌乱，不便于检查和调试（2）不易修改，扩展指令系统功能。3）应用场合主要用于高速计算机，或规模较小的计算机。,3-6组合逻辑控制器与微程序控制器,微命令的综合与产生在组合逻辑控制器中，微命令是由组合逻辑电路产生的。由产生微命令的各种条件综合分析出微命令的逻辑表达式，整理和简化；然后用组合逻辑门电路或PLA门阵列实现，即构成微操作信号发生器。小结P102微程序控制方式的基本思想：将机器中的指令分解为基本的微命令序列，用二进制代码表示这些命令，并编写成微指令，多条微指令再形成微程序。每条机器指令对应一段微程序，并在制造CPU时固化在CPU中的控制存储器（CM）中.执行机器指令的时候，CPU依次从CM中取出相应的微指令，从而产生微命令。一条微指令包含的微命令能控制实现一步（节拍）的操作；若干条微指令组成的一小段微程序解释执行一条机器指令。CM中的微程序能解释执行整个指令系统中的所有机器指令。（CM）中的微程序决定了该CPU的指令系统。,3-6组合逻辑控制器与微程序控制器,微程序控制方式的基本思想：1、微程序控制方式的基本思想PCOUT1010CPMAR10001101010001所有操作所需微操作指令（1）若干微命令编制成一条微命令，控制实现一步操作（2）若干微命令组成一段微程序，解释执行一条机器指令（3）微程序事先存放在控制存储器中，执行机器指令时再取出2、微程序控制器组成原理（1）主要部件1、控制存储器CM功能：存放微程序有效微程序CM属于CPU，不属于主存储器2、微指令寄存器uIR功能：存放现行微指令微命令字段：提供一步操作所需的微命令微地址字段：指明后续地址的形成方式3、微地址形成电路功能：提供微地址微程序入口地址：由机器指令操作码形成后续微地址：由微地址字段、现行微地址、运行地址,3-6组合逻辑控制器与微程序控制器,控制存储器CM,译码,PS,后