计算机组成原理31

1、第3章 CPU子系统2SCS-SWPU CPU的主要功能是什么？ 执行指令，控制全机的各项操作，如：运算、传送、执行指令，控制全机的各项操作，如：运算、传送、I/O 需要解决的问题 CPU由哪些部件组成由哪些部件组成 各部件之间如何交换信息各部件之间如何交换信息 CPU如何与外部连接如何与外部连接 CPU如何根据指令形成微命令，控制各部件的执行？如何根据指令形成微命令，控制各部件的执行？逻辑组成逻辑组成工作机制工作机制第三章 CPU子系统SCS-SWPU第三章 CPU子系统概概 述述3.1指令系统指令系统3.2运算部件运算部件3.3组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式3.4微程序控制方式微程序控制

2、方式3.53.6CPU的基本模型的基本模型重点难点3.43.7CPU性能的提升技术性能的提升技术3.1 概述3.1.1 CPU的基本组成3.1.3 CPU的指令类型3.1.4 CPU的发展历程3.1.2 CPU的工作原理5SCS-SWPUv中央处理器（中央处理器（CPU, Central Processing UnitCPU, Central Processing Unit） 计算机的核心部分计算机的核心部分 运算部件（运算部件（ALU） 寄存器组寄存器组 微命令产生部件微命令产生部件 时序系统时序系统 CPU内部数据通路内部数据通路 在现代计算机中还要包括在现代计算机中还要包括cache。3

3、.1.1 CPU的基本组成组成组成6SCS-SWPU1、运算部件、运算部件 功能：功能：完成算术运算和逻辑运算完成算术运算和逻辑运算如何获取操作数？如何获取操作数？怎样对数据进行运算操作？怎样对数据进行运算操作？如何送出运算结果？如何送出运算结果？ 3.1.1 CPU的基本组成 组成：组成：（1）输入逻辑（如）输入逻辑（如：选择器、暂存器：选择器、暂存器）（2）算术、逻辑运算部件）算术、逻辑运算部件ALU（如：加法器）（如：加法器）（3）输出逻辑（如移位门）输出逻辑（如移位门） 7SCS-SWPU运算运算部件的设置情况部件的设置情况设置一个设置一个ALU；设置一个设置一个ALU，且，且配合时序

4、配合时序控制，完成乘除运算；控制，完成乘除运算；设置一个设置一个ALU，且将定点乘除部件和浮点部件作为基本配置；，且将定点乘除部件和浮点部件作为基本配置；设置多个设置多个运算部件。运算部件。3.1.1 CPU的基本组成8SCS-SWPU2、寄存器组、寄存器组( (1) 1) 通用寄存器组通用寄存器组 GRGRl多个寄存器组成，可存放操作数多个寄存器组成，可存放操作数或地址信息或地址信息。l使用时对寄存器进行编号，按寄存器号进行访问。使用时对寄存器进行编号，按寄存器号进行访问。l功能通用、位数（字长）、构成、可编程功能通用、位数（字长）、构成、可编程等等(2) (2) 暂存器暂存器l用于暂存某些

5、中间过程所产生的信息用于暂存某些中间过程所产生的信息l不可被不可被CPU直接编程访问直接编程访问l 暂存器的使用对用户是透明的暂存器的使用对用户是透明的 3.1.1 CPU的基本组成存存放放数数据据, ,提提供供CPUCPU的的处处理理对对象象9SCS-SWPU2、寄存器组、寄存器组( (3) 3) 指令寄存器指令寄存器IRIRl保存当前保存当前正在执行的指令正在执行的指令。l指令寄存器中操作码字段输出作为指令译码器的输入，指令寄存器中操作码字段输出作为指令译码器的输入，经译码转换为具体操作信号。经译码转换为具体操作信号。l指令指令队列（或称指令栈），允许取若干条指令队列（或称指令栈），允许取

6、若干条指令 3.1.1 CPU的基本组成MDRIROP2 A1 A2主存主存OP1 A1 A2OP1 A1 A2OP1 A1 A2OP2 A1 A2.指令队列指令队列10SCS-SWPU(4) (4) 程序计数器程序计数器 PC PC l指示指令在内存的存放位置（或地址），指示指令在内存的存放位置（或地址），又称为指令计又称为指令计数器或指令指针数器或指令指针lPC 是具有计数功能的寄存器。是具有计数功能的寄存器。 顺序执行：顺序执行： （PC）+ n = PC 跳转执行：跳转执行： 转移地址转移地址 = PC3.1.1 CPU的基本组成1000H1001HOP1A1A2A3PCPC+1100

7、4H1002H1002H2、寄存器组、寄存器组11SCS-SWPU(5) (5) 程序状态字寄存器程序状态字寄存器 PSWPSWl程序状态字寄存器程序状态字寄存器(PSW)，记录程序的运行状态、指示程序的，记录程序的运行状态、指示程序的工作工作方式。方式。PSW包括两部分：特征位和包括两部分：特征位和编程设定位编程设定位特征位（标志位、条件码）：如特征位（标志位、条件码）：如进位标志（进位标志（C） ，溢出标志，溢出标志（V） ，结果为零标志（，结果为零标志（Z） ，负标志（，负标志（N），奇偶位（），奇偶位（p）等。这些标志分别由等。这些标志分别由1位触发器位触发器保存保存 编程设定位：如跟

8、踪位编程设定位：如跟踪位T、允许中断位、允许中断位I和工作方式字段和工作方式字段3.1.1 CPU的基本组成 工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 02、寄存器组、寄存器组12SCS-SWPUC=1 进位进位 V=1 溢出溢出Z=1 结果为结果为0N=1 结果为负结果为负T=1, 执行跟踪程序执行跟踪程序（1 1）条件码）条件码反映程序运行结果反映程序运行结果（2 2）跟踪标志）跟踪标志为查错设置的断点标志为查错设置的断点标志T程序程序初始化置初始化置T T为为1 1.测试测试T T跟踪程序跟踪程序. 工作方式工作

9、方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 03.1.1 CPU的基本组成13SCS-SWPU程序优先级高于外部优先级，不响应程序优先级高于外部优先级，不响应程序优先级低于外部优先级，可响应程序优先级低于外部优先级，可响应用户方式：用户方式：禁止使用某些特权指令禁止使用某些特权指令核心方式：核心方式：允许使用某些特权指令允许使用某些特权指令（3 3）允许中断位）允许中断位I I或优先级或优先级字段字段为现行程序赋予为现行程序赋予优先级优先级别，以决定是否响应外部中断请求。别，以决定是否响应外部中断请求。（4 4）工作方式）工作方式规

10、定程序的规定程序的特权级特权级。PSW在在CPU中，反中，反映程序运行状态映程序运行状态3.1.1 CPU的基本组成PSW不同计算机在设置上可能差别较大！ 工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 014SCS-SWPU(6) (6) 地址寄存器地址寄存器 MAR MAR 用于保存当前用于保存当前 CPU 所访问的内存单元地址。所访问的内存单元地址。(7) (7) 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 MDR MDR 暂存由暂存由CPU与内存之间传送的数据信息与内存之间传送的数据信息CPU内存内存MARMDR地址地址数据数据地

11、址地址数据数据主要作用：主要作用：l作为作为CPU与内存与内存、I/O设备设备之间信息传送的缓冲区；之间信息传送的缓冲区；l补偿补偿CPU与内存、与内存、 I/O设备之间在速度上的差异；设备之间在速度上的差异；3.1.1 CPU的基本组成2、寄存器组、寄存器组15SCS-SWPU 3、控制器及控制方式、控制器及控制方式 根据根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号信号，完成完成取指取指和和执行指令执行指令的控制。的控制。 3.1.1 CPU的基本组成组合逻辑控制器组合逻辑控制器控制器的类型微程序控制器微程序控制器微命令由微命令由组合逻辑电路组合逻辑电

12、路产生产生微命令由微命令由微指令译码微指令译码产生产生16SCS-SWPU4时序时序系统系统 时序时序信号的作用：信号的作用：按一定的时间序列产生一系列按一定的时间序列产生一系列脉冲脉冲与与电位信号电位信号，控制器根据电位和定时脉冲的，控制器根据电位和定时脉冲的顺序和间隔指挥机器运作。顺序和间隔指挥机器运作。 3.1.1 CPU的基本组成多级时序的概念 (1)(1)时钟脉冲信号时钟脉冲信号 (2)(2)时钟周期时钟周期( (节拍节拍) ) (3)(3)机器周期机器周期 (4) (4)指令周期指令周期 17SCS-SWPU3.1.1 CPU的基本组成4 4、时序系统、时序系统l 指令周期：指令周

13、期：取出并执行一条指令所需时间取出并执行一条指令所需时间。 通常一个指令周期包含通常一个指令周期包含3-43-4个机器周期。如取指令周期个机器周期。如取指令周期、取操作数周期、指令执行周期等。、取操作数周期、指令执行周期等。l 机器周期机器周期( (又称又称CPUCPU周期或工作周期周期或工作周期) )：机器周期对应指令机器周期对应指令执行的不同阶段，如取指令、取操作数、执行等阶段。各阶执行的不同阶段，如取指令、取操作数、执行等阶段。各阶段长短不一，按最长的阶段来划分机器周期。通常一个机器段长短不一，按最长的阶段来划分机器周期。通常一个机器周期包含周期包含4 4个时钟周期个时钟周期 T T1

14、1-T-T4 4。l 时钟周期（又称节拍或时钟周期（又称节拍或 T T 周期）：周期）：对应基本定时信号，对应基本定时信号，由它确定主时钟频率。由它确定主时钟频率。18SCS-SWPU计算机组成原理计算机组成原理晶振输出晶振输出工作周期工作周期1工作周期工作周期2工作周期工作周期3节拍节拍T1工作脉冲工作脉冲P节拍节拍T2指令周期指令周期控制不同阶段操作时间控制不同阶段操作时间控制分步操作时间控制分步操作时间对微操作定时对微操作定时取指取指执行执行取数取数取出指令取出指令修改修改PCPC打入打入IRIR打入打入PC多级时序信号之间的关系（时序关系）取源操作数取源操作数取目的操取目的操作数作数1

15、9SCS-SWPU独立结构独立结构R R小型存储器结构小型存储器结构单口单口RAMRAM双口双口RAMRAM寄存器组寄存器组u独立独立R R、双口、双口RAMRAM用用多路选择器多路选择器作为作为ALUALU的输入的输入逻辑；逻辑；u单口单口RAMRAM用用锁存器锁存器作为作为ALUALU的输入逻辑。的输入逻辑。3.1.1 CPU的基本组成5、CPU内部数据通路结构内部数据通路结构20SCS-SWPU（1 1）单组内总线、分离寄存器结构）单组内总线、分离寄存器结构移位器移位器ALU多路选择器多路选择器多路选择器多路选择器R0RnR0. . . Rn R0. . . Rn 内部总线（内部总线（单

16、向单向）特点：特点：uR R各自独立；各自独立；u可同时向可同时向ALUALU提供两个操作数；提供两个操作数；u采用单向内总线；采用单向内总线；u控制简单集中控制简单集中u但所需元器件和连线增多但所需元器件和连线增多3.1.1 CPU的基本组成21SCS-SWPU计算机组成原理计算机组成原理（2） 单组内总线、集成寄存器结构特点：特点：单口单口RAMRAM不能同时向不能同时向ALUALU 提供两个操作数；提供两个操作数；用锁存器暂存操作数；用锁存器暂存操作数；采用双向内总线。采用双向内总线。移位器移位器ALU暂存器暂存器D暂存器暂存器C内部总线（内部总线（双向双向）R0Rn通用寄存器组（小型存

17、储器）通用寄存器组（小型存储器）3.1.1 CPU的基本组成22SCS-SWPU计算机组成原理计算机组成原理 （3） 多组内总线结构3.1.1 CPU的基本组成3.1 概述3.1.1 CPU的基本组成3.1.3 CPU的指令类型3.1.4 CPU的发展历程3.1.2 CPU的工作原理24SCS-SWPU 1 1、CPUCPU的主要功能的主要功能 指令控制：控制程序执行顺序，如：逐条指令控制：控制程序执行顺序，如：逐条执行或跳转执行执行或跳转执行； 操作控制：产生每条指令所需的控制命令；操作控制：产生每条指令所需的控制命令； 时间时间控制：产生操作时序，按时间顺序启动各类操作控制：产生操作时序，

18、按时间顺序启动各类操作； 数据数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理处理 中断处理：对计算机中出现的异常情况和特殊请求进行处理中断处理：对计算机中出现的异常情况和特殊请求进行处理CPU工作过程（工作过程（4个阶段）：个阶段）： 1）取指令）取指令 2）指令译码）指令译码 3）指令执行）指令执行 4）后续阶段）后续阶段3.1.2 CPU的工作原理计算机组成原理计算机组成原理 SWPU25一、单选题1.1.在CPUCPU寄存器中， ( )( )对用户是透明的。 A. .程序计数器程序计数器 B.B.指令寄存器指令寄存器 C. C.状态寄存器状态寄存器 D.D.

19、通用寄存器通用寄存器2 2. .程序计数器PCPC用来存放指令地址，其位数与（ ）相同。 A. IR B. PSW C. MDR D. MAR3 3. .指令寄存器的位数取决于（ ）。 A. 存储器的容量存储器的容量 B. 机器字长机器字长 C. 指令字长指令字长 D.存储字长存储字长4.4.采用同步控制的目的是 ( ( ) )。 A. 提高执行速度提高执行速度 B.满足不同的设备对时间安排的需要满足不同的设备对时间安排的需要 C.简化控制时序简化控制时序 D.满足不同的操作对时间安排的需要满足不同的操作对时间安排的需要5.5. 异步控制常用于 ( ( ) )。 A. CPU访问外围设备访问外围设备 B.微程序控制器微程序控制器 C. 微型机的微型机的CPU D.组合逻辑控制器组合逻辑控制器计算机组成原理计算机组成原理 SWPU26二、填空答题1.CPU1.CPU的专用寄存器有：_、 _ _、 _ _、 _ _、 _ _。2 2. .在控制器中，微操作信号的形成与_、 _ _、 _ _有关。3 3. .控制器的控制方式分为_、 _ _、 _ _ 。 计算机组成原理计算机组成原理 SWPU27一、单选题1.1.在CPUCPU寄存器中