组成原理课程第六章2013版

1、第六章,中央处理器,计算机组成原理,2,本章知识点,6.1 CPU,的功能和基本结构,CPU,的基本功能和常见的,CPU,基本结构,6.2,指令执行的过程,1),数据通路的概念及组成,2),指令周期流程图,6.3,时序与控制器,6.4,微程序控制器的工作原理,1),微程序控制的基本概念,2),微程序控制器的组成原理,3),微指令的编码方法,4),微程序设计举例,6.5,硬布线控制器的工作原理,1),硬布线控制器的模型,2),硬布线控制器的基本原理与设计方法,计算机组成原理,3,6.1 CPU,的功能和基本结构,(1),指令执行顺序的控制,：,控制程序中的指令按事先规定的顺序自动地执行。,(2)

2、,指令的操作控制：,产生指令执行过程中所需要的信号，以控制执行部件按指令规定的,操作运行。,(3),时间控制：,对各控制信号进行定时，以便按规定的时间顺序启动各操作。,(4),异常和中断处理：,处理运算中的异常及处理外部设备的中断服务请求等。,(5),数据加工处理：,对数据进行算术、逻辑运算，或将数据在相关部件之间传送。,1.CPU,的基本功能,计算机组成原理,4,2.CPU,的基本结构,计算机组成原理,5,计算机组成原理,1),控制器中各主要功能部件的作用,:,程序计数器,PC,?,给出并指示下一条指令的地址,?,完成顺序控制的功能,?,内容在取指完成后即可改变,?,转移指令直接修改,PC,

3、值,计算机组成原理,7,?,保存当前正执行的指令,?,指令的操作码字段和寻址方式送译码,2),控制器中各主要功能部件的作用,:,指令寄存器,IR,计算机组成原理,8,?,对指令的,OP,字段和寻址方式译码，指出指令的操作方式,?,译码的结果是找到与该指令相关的微程序的入口,3),控制器中各主要功能部件的作用,:,指令译码器,ID,计算机组成原理,9,?,产生指令执行过程中所需要的控制信号,?,实现指令的操作控制功能,4),控制器中各主要功能部件的作用,:,操作控制器,OC,计算机组成原理,5),控制器中各主要功能部件的作用,:,时序产生器,?,对操作控制信号进行同步,?,实现控制器的时间控制功

4、能,计算机组成原理,11,6),控制器中各主要功能部件的作用,:,数据缓冲寄存器,DR,?,保存与主存之间交换的数据,计算机组成原理,12,7),控制器中各主要功能部件的作用,:,地址寄存器,AR,?,存放,CPU,将要访问的主存单元地址,计算机组成原理,13,6.2,指令执行的过程,1.,数据通路的概念及组成,?,数据通路,:,数据在功能部件之间传送的路径；,?,数据在数据通路中的传送操作是在控制信号的控制下进行的；,?,数据通路的建立可用总线或专用通路两种方法来构建；,?,不同功能的指令及同一指令在执行的不同阶段的数据通路可不同；,?,数据通路的结构直接影响,CPU,内各种信息的传送路径、

5、指令执行流,程、所需要的微操作控制信号及其时序安排和控制器的设计；,计算机组成原理,14,2.,指令周期流程,1),程序控制的过程，本质上是由控制器根据程序所包含的指令序列，,逐条执行指令的过程。,2),指令周期,一条指令从取出到执行完成所需时间,3),指令周期划分,(1),取指令周期,:,?,根据,PC,的值取去主存储取指令；,?,如何形成后续指令地址。,(a),顺序执行指令时，将,PC,内容加当,前指令所占用的主存单元数,(b),当出现转移时，根据寻址方式、转,移条件、转移的目标地址等内容计算得,到。,计算机组成原理,15,(2),译码,/,取操作数周期,?,对指令寄存器中的操作码字段进行

6、译,码并识别指令类型,?,根据指令地址码和寻址方式，从寄存,器或存储器中读取操作数。,?,不同的寻址方式可能具有不同的取操,作数周期。,?,算术运算类指令大都要求双操作数，,因此，取操作数流程要经历两次，第,一次取源操作数，操作流程由源寻址,方式字段确定，第二次取目的操作数，,操作流程由目的寻址字段确定。,计算机组成原理,16,(3),执行周期,?,控制器向算术逻辑运算单元及数据通,路中的其它相关部件发送操作控制命,令，完成由指令操作码规定的动作，,包括传送结果及记录状态信息。,?,操作结果送到哪里由寻址方式确定；,?,状态信息,(,如溢出,),记录在,PSW,中,;,?,对转移指令还需在执行

7、周期内计算机,移地址。,(4),写回,将运算结果写到结果寄存器或存储器。,写回存储器时间较长,一般需要多个时,钟周期。,计算机组成原理,17,3.,寄存器级传送语言,RTL(Register Transfer Language),为统一表示指令执行流程，采用寄存器描述语言表示指令执行过程中,的操作，使用,RTL,的规则如下：,1),用,( ),表示读取寄存器或主存地址的内容，如（,PC,）表示读取,PC,寄,存器中的内容；,2),用, ,表示主存单元地址或寄存器堆中寄存器的编号，则：,?,M6,表示主存,6,号单元，,(M6),表示读取主存,6,号单元的数据；,?,R6,表示寄存器堆中,6,号

8、寄存器，,(R6),表示读取寄存器堆中,6,号寄,存器的数据；,?,M(R6),表示寄存器堆中,6,寄存器内容所指主存单元,;(M(R6),表示读取寄存器堆中,6,寄存器内容所指主存单元的内容。为简化对主,存单元的表示和访问，将它们分别简化成,MR6,和（,MR6,）。,3),用“,A,?,B,”,表示数据传送，其中,B,为数据源，,A,为目的端；,计算机组成原理,18,4.,指令操作流程,:,基于单总线结构的处理器,计算机组成原理,19,根据指令周期的概念，任何指令第一个,CPU,周期都是取指周期，取,指周期中,CPU,要完成以下三件事：,(1),根据,PC,的内容取出指令并送指令寄存器,I

9、R,中保存,(,本书假定程序,首地址已存放在,PC,中,),；,(2),修改,PC,的值；（这里假定计算机字长,8,位，采用单字长指令，主,存按字节编址）；,(3),对指令的操作码进行译码或测试，以确定指令在执行阶段将要具,体进行何种操作。,计算机组成原理,20,(1),LOAD,指令周期流程,R0,?,(M6):,将主存,6,号单元内容送,R0, RS,型指令,取指阶段的操作,?,MAR,?,(PC),?,X,?,(PC),?,Z,?,ALU,?,PC,?,(Z),?,MDR,?,(MMAR),?,IR,?,( MDR),各操作对应的控制信号,PCout =ARin=1,Xin=1,+1,Z

10、out=PCin=1,Read=DREin=1,DRIout=IRin=1,(a),取指,CPU,周期用到两条数据通路：,?,PC MAR MEM MDR IR,?,PC X ALU Z PC,(b),执行阶段用到的数据通路：,?,IR,A, MAR MEM MDR,R0,计算机组成原理,21,(1),LOAD,指令周期流程,R0,?,(M6):,将主存,6,号单元内容送,R0, RS,型指令,执行阶段用到的数据通路：,?,IR,A, MAR MEM MDR,R0,执行阶段的操作,?,MAR,?,(IRA),?,MDR,?,(MMAR),?,R0,?,(MDR),各操作对应的控制信号,?,IR

11、out=ARin=1,?,Read=DREin=1,?,DRIout=R0in=1,计算机组成原理,22,(2),MOVE,指令周期流程,R1,?,(IR,A,),：将来自于,IR,形式地址字段的立即数,10,送,R1,，,RR,型指,令,执行阶段的操作,?,R1,?,(IRA),对应的控制信号,?,IRout=R1in=1,执行,CPU,周期用到的数据通路：,?,IR R1 指令,中的立即数送,R1,。,计算机组成原理,23,(3),ADD,指令周期流程,R0,?,(R0)+ (R1):,将,R0,和,R1,相加，结果送,R0,，,RR,型指令,执行阶段的操作,?,X,?,(R0),?,Z,

12、?,ALU,?,R0,?,(Z),对应的控制信号,?,R0out=Xin=1,?,R1out=1=,ADD=1,?,Zout = R0in=1,执行,CPU,周期用到的数据通路：,?,R0 X ALU ；R1 ALU,加数和被加数送,ALU,输入端,?,ALU Z R0,运算结果经,Z,写回寄存器,R0,。,计算机组成原理,24,(4),STORE,指令周期流程,MR2,?,(R0):,将,R0,内容送,R2,内容所指主存单元保存,，,RS,型指令,执行阶段的操作,?,MAR,?,(R2),?,MDR,?,(R0),?,MR2,?,(MD,R),对应的控制信号,?,R2out=ARin=1,?

13、,R0out=DRIin=1,?,DREout=Write=,1,执行,CPU,周期用到的数据通路：,?,R2 MAR 传送地址；,?,R0 MDR MEM 往主存存数据。,指令的执行需要两个,CPU,周期，执行阶,段的第一个,CPU,送地址，即将寄存器,R2,的内容,MAR,；执行阶段第二个,CPU,周,期内将,R0,的值送,MDR,，然后存入,MAR,指向的内存单元,计算机组成原理,25,(5),JMP,指令周期流程,PC,?,(IRA) :,将,1000,送入,PC,，实现无条件转移,执行阶段的操作,?,PC,?,(IRA),对应的控制信号,?,IRout=PCin=1,执行,CPU,周

14、期用到的数据通路：,?,IRA PC,计算机组成原理,26,6.3,时序与控制器,1.,中央处理器的时序,?,过去的计算机采用主状态周期、节拍电位和节拍脉冲三级时序体制,来对操作控制信号进行定时控制,.,?,主状态周期,:,一般对应指令的执行时间,?,节拍电位,:,对应指令执行的不同周期,如取指周期,以主存的工作周期为基础,?,节拍脉冲,:,完成一次微操作所需要的时间,计算机组成原理,27,2.,启停控制电路,?,启停控制逻辑的作用是保证节拍和脉冲,信号的完整性。即启动从第一个,CPU,周期,的第一个节拍脉冲前沿开始工作，停机在,一个,CPU,周期的最后一个节拍脉冲的下降,沿结束。只有这样才能

15、保证时序信号脉冲,的完整性和指令功能的完整性。,计算机组成原理,28,6.4,微程序控制器的工作原理,1.,微程序控制的基本概念,?,微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的技术,?,微程序控制的基本思想,仿照程序设计的方法，把完成每条,指令,所需要的操作控制信号编写成,微指令,，存放到一个只读存储器,(,控存,),中。每条机器指令对应一段微,程序，当机器执行,程序,时依次读出每条指令所对应的微指令,执行每条,微指令中规定的微操作,从而完成指令的功能,重复这一过程,直到该程,序的所有指令完成,.,微程序控制器的设计采用了存储技术和程序设计技术，使复杂的,控制逻辑得到简化，从而推动了微程序控制器

16、的广泛应用,.,计算机组成原理,29,程序,微指令,微程序,计算机组成原理,30,1),微命令和微操作,?,控制部件与执行部件之间的联系,控制部件,执行部件,控制线,反馈线,?,微命令,控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制信号,(,打开和关闭控制门,),?,微操作,执行部件接受微命令后所进行的操作,?,反馈线的作用,向控制部件反馈执行的状态信息，以便控制部件进行状态测试,计算机组成原理,31,2),微操作的分类,微操作是计算机中最基本的操作，由于数据通路、逻辑功,能的关系，微操作可以分为相容性的和相斥性的微操作：,?,相容性的微操作,能同时并行执行的微操作,?,相斥性的微操作,不能同时并

17、行执行的微操作,计算机组成原理,32,图中相斥性的微操作有：,( +,、,、,M ) ( 4,、,6,、,8 ) ( 5,、,7,、,9 ),图中相容性的微操作有：,1,、,2,、,3,(4,、,6,、,8),与,(5,、,7,、,9),两组中各取一个任意组合,计算机组成原理,33,1),控制存储器：,存放用来实现全部指令的所有微程序，是一种只读存储器，微程序固化,在其中，其容量取决于机器指令和每条指令微程序的长度，字长取决于,微指令的字长，也与容量有一定关系,(,!,),。要求控制存储器快速。,2.,微程序控制器的组成原理,计算机组成原理,34,2),微指令寄存器,(,?,IR,),?,存放

18、从控存中读出的微指令,?,是图中的哪部分,?,3),微地址寄存器,(,?,AR),存储访问,CM,的微地址,计算机组成原理,35,4),微地址产生逻辑,用于产生后续微指令地址。能作为后继微指令地址的有下列形式：,?,微程序的入口地址,?,顺序地址,?,转移地址,计算机组成原理,36,3.,微指令的的格式与微命令编码,1),微指令的格式,?,操作控制字段是微指令的主体，由若干微命令位组成。控制,字段中的每一位通常表示一个特定的微命令，微指令是否含某,个微命令，由该位的状态,1,或,0,决定。,?,判别测试字段指出微指令执行过程中需要测试的外部条件，,如进位、运算结果是否为零等；,?,下地址字段给

19、出的地址是下条微指令地址，最终是否按照该,地址执行下一条微指令与是否进行条件测试及测试条件是否成,立等有关。,计算机组成原理,37,?,微命令编码就是微指令中的操作控制字段采用的表示方法,(1),直接表示法,?,操作字段的每一位表示一个微命令,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,LDLA,LDR,1,LDPC,BUS,IR(A),WE,?,P,2,下,址,L,R,0,LDLB,LDR,0,PC,1,LDIR,RD,?,LDAR LDDR,P,1,控制字段,顺序控制,L,

20、R,1,L,R,2,bus,L,L,bus,bus,BUS,BUS,bus,BUS,ALU,BUS,PC,BUS,DR,DR(D),BUS,?,优点,:,简单、直观，,?,缺点,:,微指令字长、不利于减少控存容量,2),微指令的格式,计算机组成原理,38,(2),编码表示法,?,把一组互斥的信号组成一个小组，然后通过小组译码器译码，译码输,出将作为操作控制信号。每次每个小组最多只能有一个有效。,译码,译码,译码,译码,字段,1,字段,2,字段,3,P,字段,下地址字段,微,命,令,?,若某小组有,4,个微命令，则微指令中该字段需要多少位？,需要,3,位,，,为什么？,因为每字段经过译码后，要有

21、一个状态表示不使用本组中的微命令。,计算机组成原理,39,?,编码表示法的优点,:,大大缩短微指令字的长度，从而减少控存的容量。,?,编码表示法的缺点：,增加的译码电路降低了微指令的执行速度。,(3),混合表示法,综合前面的直接表示法和编码表示法,.,关于微命令编码的结论,:,目前一般使用字段直接表示法,.,计算机组成原理,40,4.,微程序设计举例,LOAD,指令取指周期的操作及控制信号,计算机组成原理,41,4.,微程序设计举例,MOVE,指令取指周期的操作及控制信,号,计算机组成原理,42,4.,微程序设计举例,ADD,指令取指周期的操作及控制信,号,计算机组成原理,43,4.,微程序设

22、计举例,STORE,指令取指周期的操作及控制信号,计算机组成原理,44,4.,微程序设计举例,JMP,指令取指周期的操作及控制信号,计算机组成原理,45,4.,微程序设计举例,?,各指令操作系列顺序的安排必须保证指令功能的正确实现。如取指令阶段,MAR,?,(PC),操作一定要在,IR,?,(MDR),之前完成，否则取出出错；,?,同一节拍内不能同时有两个或两个以上的部件向公共总线输出信息。如取指阶,段,PCout,、,Zout,和,DRIout,必须被分别安排在不同的节拍内；,?,上述指令微操作序列实现，重在描述实现方法，并不是优化；,?,指令执行不同周期所需要的节拍数可能不同，上述安排采用

23、了同步控制方法，,每个周期都分配了四个节拍，因此，部分指令有些周期中存在一些空节拍，没,有任何微操作。,计算机组成原理,46,5.,微命令的同步,?,微程序存放在控存中，每条指令的微程序包含几条微指令,(,包括取指令,微指令,),就表示该指令的执行需要几个,CPU,周期。,?,微命令自从控存中取出并送入微指令寄存器后就开始生效，直到新的,微指令送入微指令寄存器,(,一个,CPU,周期的时间,),?,一条微指令的若干个微命令中,大部分微命令只能在一个,CPU,周的某,个,T,周期有效，必须对微命令进行时间同步后才能与相应执行部件的,控制端相连。,计算机组成原理,47,?,微命令同步的基本方法就是

24、列出每个微命令的逻辑表达式，并用相应,的逻辑电路实现表达式的功能，电路的输入来自微指令的相关位和时序,信号（包括节拍电位或节拍脉冲），对应逻辑电路的输出才能与相应执,行部件的控制端相连。,?,下面以,Zout,为例说明微命令的同步方法。,Zout = M,取指周期,?,Zout,?,T2 + ADD,?,M,执行周期,?,Zout,?,T3,。,48,7,、微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作过程,LAD R0,，（,80),ADD R0, (81),JO 75,STA (R1), R0,000000000000101010101110,10,0000,000000010010000001

25、101110,00,0000,100100000000000000000000,00,0011,000010110000000001101110,00,0100,000000000010010000000000,00,0000,000000000000000101000000,01,0000,000000000000000000000000,00,0111,000000000000000000000000,00,0000,0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,30,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18

26、,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,LDLA,LDR,1,LDPC,BUS,IR(A),WE,P,2,下,址,L,R,0,LDLB,LDR,0,PC,1,LDIR,RD,LDAR,LDDR,P,1,L,R,1,L,R,2,bus,L,L,bus,bus,BUS,BUS,bus,BUS,ALU,BUS,PC,BUS,DR,DR,(D),BUS,49,【问】,一会儿取机器指令，一会儿取,微指令，它们之间到底是什么关系,?,【解】,1.,一条机器指令对应一个微程序，,这个微程,序是由若干条微指令序列组成的。因此，一,条机器指令的功能是由若干条微指令组成的,序列来实现的

27、。简言之，,一条机器指令所完,成的,操作划分成若干条微指令来完成，由微,2.,从,指令与微指令，程序与微程序，地址与,微地址,的一一对应关系来看，前者与,内存储,器,有关，后者与,控制存储器,有关。与此相关,，也有相对应的硬设备，请参见,CAI,演示。,3.,我们在讲述本章,5.2,节时，曾讲述了指令与,机器周期概念，并归纳了五条典型指令的指,令周期,并演示了这五条指令的微程序流程图,，,每一个,CPU,周期就对应一条微指令。,这就,告诉我们如何设计微程序，也将使我们进一,步体验到机器指令与微指令的关系。,机器指令与微指令的关系,50,4,）应用举例,例,1,如图所示的为双总线结构机器的数据通

28、路，,IR,为指令寄存,器，,PC,为程序计数器,(,具有自动增加功能,),，,M,为主存,(,受,R/W,控,制,),，,AR,为地址寄存器，,DR,为数据缓冲寄存器，,ALU,由加、减,控制信号决定需要完成何种操作，控制信号,G,控制的是一个门,电路，另外，线上标注有控制信号，例如,y,i,表示,y,寄存器的输入,控制信号，,R,10,表示寄存器,R1,的输出控制信号，未标字符的线,为直通线，不受控制。,(1),ADD R2,，,R0,指令完成,(R0)+(R2),?,R0,的功能操作，画出,其,指令周期流程图,，假设该指令的地址已经放入,PC,，,并列出相,应的微操作控制信号序列,。,(

29、2),SUB R1,，,R3,指令完成,(R3)+(R1),?,R3,的操作，画出其,指,令周期流程图,，并列出相应的,微操作控制信号序列,。,51,IR,PC,AR,M,DR,R0,R1,R2,R3,X,Y,ALU,IR,O,PC,O,DR,O,R0,O,R3,O,IR,i,PC,i,AR,i,R/W,DR,i,R0,i,R3,i,x,i,y,i,+,_,G,52,PC,?,AR,M,?,DR,DR,?,IR,R2,?,Y,R0,?,X,R0+R2,?,R0,(R0)+(R2),?,R0,PC,0,G,AR,i,R/W,= R,DR,0,G,IR,i,R2,0,G , Y,i,R0,0,G , X,i,+,G , R0,i,计算机组成原理,53,6.5,硬布线控制器的工作原理,1.,硬布线控制器的模型,1),组合逻辑控制单元,是控制器的核心，产生指令执行所需,要的控制信号,(,包括控制电位与打入,脉冲,),，可采用组合逻辑电路或可编,程阵列逻辑或,ROM,实现,.,输入来自,:,?,指令码译码器的输出；,?,条件状态寄存器的状态标志信息；,?,来自时序电路的节拍信号，包括节,拍电位信号,M1,Mi,和节拍脉冲信号,T1,Tm,。,计算机组成原理,54,1.,硬布线控