第6章中央处理部件CPU(1)

1、1第第6章章 中央处理部件中央处理部件CPUvCPU的结构与功能的结构与功能v计算机的硬件系统计算机的硬件系统v控制器的组成控制器的组成v微程序控制技术微程序控制技术v硬布线控制技术硬布线控制技术v流水线技术流水线技术2中央处理部件中央处理部件CPUvCPU：中央处理部件，是将运算器与控制器：中央处理部件，是将运算器与控制器集成在一个芯片上制成的微处理器。集成在一个芯片上制成的微处理器。v当前，微处理器芯片已从当前，微处理器芯片已从16位，位，32位发展到位发展到64位结构。位结构。3CPU应具备的基本功能应具备的基本功能v取指令（取指令（fetch instructions)v解释指令解释指

2、令(interpret instructions)v取数据取数据(fetch data)v处理数据处理数据(process data)v写数据写数据(write data)v控制程序的执行控制程序的执行v对程序执行中出现的异常情况进行处理对程序执行中出现的异常情况进行处理4CPU内部组织框图内部组织框图v内部内部CPU总线：总线：internal CPU busv寄存器组：用户可见寄存器，控制寄存器组：用户可见寄存器，控制/状态寄存状态寄存器器5CPUCPU对指令对指令/ /数据的识别数据的识别v指令和数据均存放在内存中，指令和数据均存放在内存中，CPUCPU如何从时间如何从时间和空间上区分它

3、们是指令还是数据？和空间上区分它们是指令还是数据？ 从时间上讲，取指令事件发生在从时间上讲，取指令事件发生在“取指取指周期周期”，取数据事件发生在，取数据事件发生在“执行周期执行周期”。 从空间上讲，从内存读出指令流流向控制从空间上讲，从内存读出指令流流向控制器器( (指令寄存器指令寄存器) )。从内存读出数据流流向运。从内存读出数据流流向运算器算器( (通用寄存器通用寄存器) )。 6控制器的功能及组成控制器的功能及组成v控制器的功能：控制器的功能： 1、取指令、取指令 2、分析指令、分析指令 3、执行指令、执行指令 4、控制程序和数据的输入与结果的输出、控制程序和数据的输入与结果的输出 5

4、、对异常情况和某些请求进行处理、对异常情况和某些请求进行处理v控制器的组成：控制器的组成： 1、程序计数器（、程序计数器（PC） 2、指令寄存器（、指令寄存器（IR） 3、指令译码器（、指令译码器（I-decoder） 4、脉冲源和启停线路、脉冲源和启停线路 5、时序控制信号形成部件、时序控制信号形成部件7控制器基本组成框图控制器基本组成框图8指令执行过程剖析指令执行过程剖析v例：有一控制器，内部结构及控制操作信号如下图例：有一控制器，内部结构及控制操作信号如下图所示。有所示。有8个通用寄存器个通用寄存器GR及一个及一个ALU，并有，并有4个个记忆运算结果的状态标志触发器记忆运算结果的状态标志

5、触发器N（负）、（负）、Z（零）、（零）、V（溢出）、（溢出）、C（进位），指令格式如下：（进位），指令格式如下： rs,rd,rs1为通用寄存器地址。为通用寄存器地址。 imm(或或disp)为立即数或偏移量。为立即数或偏移量。OPcode rs,rd rs1 imm（或（或disp）9带控制逻辑的运算器框图带控制逻辑的运算器框图10加法：加法：(rs)+(rs1)+disp)=rdv从从M中取指中取指=IR: (PC)-AB ; (PC)+1=PC; ADS#, W/R#, M/IO#, (Ready#, )DB-IR.v计算操作数地址，将得到的有效地址计算操作数地址，将得到的有效地址=A

6、R: (rs1)-GR, (rs1)-ALU,disp-ALU,”+”, ALU-ARv取操作数：取操作数： AR-AB, ADS#,W/R#, M/IO#, (Ready#,) DB-DR;v做加法做加法： (rs)-GR,(rs)-ALU,DR-ALU; ”+”, rd-GR, ALU-rd, 置置运算结果运算结果N，Z，V，C。取指取指 计算地址计算地址 取数取数 运算送结果运算送结果t1t2t3t4011加法指令执行的时序加法指令执行的时序12控制信号的产生控制信号的产生v微操作（微操作（Micro-operations）：）： 指令周期指令周期-子周期子周期-一组操作控制信号。所谓微操作就是指由控制器一组操作控制信号。所谓微操作就是指由控制器控制所完成的一个基本操作。控制所完