计原课件6-2中央处理器

1、复习思考题16CPU由运算器和控制器组成。CPU中专用的寄存器有程序计数器、存储器地址寄存器、 存储器数据寄存器、指令寄存器和状态标志寄存器。生成微操作控制信号的方法有三种，它们分别是组合逻辑型、存储逻辑型和组合逻辑与存储逻辑结合型。为了执行任何给定的指令，必须对指令操作码进行测试，以便识别所要求的操作，CPU中的译码器就是完成这项工作的。在PC机中，CPU周期又称为机器周期、总线周期。指令周期是指CPU从主存中读出一条指令的时间。（错）第六章 中央处理器6.1 中央处理器的功能和组成6.2 控制器的组成和实现方法6.3 时序系统与控制方式6.4 微程序控制原理6.6 流水线技术6.7 精简指

2、令系统计算机6.8 微处理器中的新技术6.3.2 控制方式CPU的控制应解决的问题控制信号的定时即何时进行何种操作控制信号的同步即各部件间微操作在时间上如何配合？前后各微操作如何衔接？CPU的控制方式同步控制方式异步控制方式联合控制方式CPU的控制方式同步控制方式同步控制方式(集中控制方式) 对机器的所有指令采用统一的时序信号，所有指令机器周期数相同。特点：以微操作序列最长的指令为标准，确定控制微操作运行的节拍数控制器产生统一的、顺序固定的、周而复始的节拍脉冲微操作序列短的指令可空着一部分不用优点:时序关系简单，电路简单缺点:运行速度慢时钟微操作信号1微操作信号21 2 3 4 5 6 7 8

3、 9启动信号启动信号CPU的控制方式异步控制方式异步控制方式（分散控制方式）：采用“应答”的工作方式，无统一的时序信号。特点：每条指令按实际需要产生节拍数指令执行完毕，发出“结束”信号控制器收到“结束”信号，开始执行下条指令优点：无时间浪费，运行速度快，缺点：控制电路比较复杂命令1命令2操作信号1回答1操作信号2回答2命令3应-答信号应-答信号应-答信号CPU的控制方式联合控制方式联合控制方式：将同步控制方式与异步控制方式结合使用。特点：大部分指令按同步控制执行中央控制小部分特殊指令（过长、过短），采用异步控制方式执行局部控制优点：能保证一定的运行速度缺点：电路设计相对复杂例如：在一般小、微型

4、计算机中，CPU内部基本时序采用同步方式，当CPU通过总线向主存或其他外设交换数据，就转入异步方式，一条指令的执行过程读取指令指令地址PC送入主存地址寄存器MAR读主存，读出内容送入指令寄存器IR分析指令执行指令不同指令的操作步骤数和具体操作内容差异很大检查有无中断请求若无，则转入下一条指令的执行过程形成下一条指令地址6.3.3 指令运行的基本过程指令运行的基本过程取指阶段将现行指令从主存中取出并送至IR。PCMARABCU发“Read”命令M(MAR)MDRMDRIRPC+1PC公共操作分析阶段执行阶段PCMARCUMDRIRAB DB CB主存CU控制单元6.3.4 指令的微操作序列字母加

5、下标in表示该部件的接收控制信号，即打开该部件输入门信号；字母加下标out表示该部件的发送控制信号，即打开该部件输出门信号。 控制器把完成一条指令的功能分解为在时间上先后有序的最基本、最简单的微操作，即微操作序列。加法指令ADD R1,R0的微操作序列 功能：(R0)(R1)(R0)取指周期PCMARCU发“Read”命令M(MAR)MDRMDRIRPC+1PC这是公共操作加法指令ADD R1,R0的微操作序列 功能：(R0)(R1)(R0)取数周期(R0)MARCU发“Read”命令M(MAR)MDRMDRY执行周期(R1)+YZ, CU发“+”命令(Z)MDRCU发“Write”命令转移指

6、令JC A 的微操作序列取指周期PCMARCU发“Read”命令M(MAR)MDRMDRIRPC+1PC这是公共操作 功能：若上次运算结果有进位(C=1)，就转移: (PC)+APC 若上次运算结果无进位(C=0)，就顺序执行下一条指令。执行周期若C=0，则转去执行下一条指令，否则(PC)Y(C=1)Ad(IR)+YZ(C=1)， CU发“+”命令(Z)PC(C=1)转移指令JC A 的微操作序列 功能：若上次运算结果有进位(C=1)，就转移: (PC)+APC 若上次运算结果无进位(C=0)，就顺序执行下一条指令。程序机器指令1机器指令2机器指令i机器指令n.微指令2微指令1微指令i微指令n

7、.微程序6.4 微程序控制原理微程序控制器的基本思想 将微操作控制信号按一定规则进行二进制编码形成控制字（微指令），一条机器指令对应一段“程序”，该程序存放在控制存储器中，因为“程序”的指令结果是实现一条机器指令的功能，所以称为“微程序”。 微程序控制器原理框图存 放微程序存放从控存中取得的微指令产生机器指令的首条微指令地址和后续地址微地址寄存器接收微地址形成部件送来的微地址 6.4.1 微程序控制的基本概念 微命令与微操作微命令:是微操作的控制信号，它构成控制信号序列的最小单位。微操作:是微命令的操作过程。微命令和微操作是一一对应的。 微命令的分类兼容性微命令是指那些可以同时产生，共同完成某

8、一些微操作的微命令；互斥性微命令是指在机器中不允许同时出现的微命令。兼容和互斥都是相对的一个微命令可以和一些微命令兼容，和另一些微命令互斥。 微程序控制的基本概念微指令和微地址微指令:一组实现一定操作功能的微命令构成一条微指令。微地址：存放微指令的控制存储器的单元地址微周期：从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微命令所需的全部时间。微程序:一系列微指令的有序集合就是微程序。一条机器指令对应于一段微程序。微程序控制中基本概念的关系 程序指令的集合指令（微程序）微指令的集合微指令微命令的集合微命令6.4.2 微指令编码法微程序设计考虑的问题：1、如何缩短微指令字长?2、如何减少微程序长度?3、

9、如何提高微程序的执行速度?微指令的编码 编码的实质是在微指令中如何组织微操作的问题 构成：微指令的编码方法直接控制法（不译码法） 最短编码法字段编码法直接控制法（不译码法）在微指令的操作控制字段中每一个微命令都用1bit表示，对应于一种微操作。该位为“1”表示这个微命令有效，为“0”表示这个微命令无效。每个微命令对应并控制数据通路中的一个微操作。特点： 结构简单、不必译码、并行性强、速度快 但微指令字段太长，占控制存储器容量大 . 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1XDRXR3

10、Y + M - RDLDDRLDIRLDARPC+1 P1 P2直接地址操作控制顺序控制微指令编码法微指令编码法最短编码法将所有微命令统一编码，每条微指令只定义一个微命令。若微命令的总数为N，操作控制字段的长度为L，则： Llog 2N 特点微指令字最短，但要通过译码才能得到需要的微命令。不具有并行性，微程序长、速度慢。.微指令译码器 控制字段地址字段 微 命 令uIR微指令编码法字段编码法 将控制字段分为若干个小字段，每个字段分别编码，每段内采用最短编码法，段与段之间采用直接控制法。字段编码法中操作控制字段的分段原则：互斥性的微命令分在同一段内，兼容性的微命令分在不同段内应与数据通路结构相适

11、应；对微命令进行编码, 留一个代码表示本段不发微命令每段包含的信息位不能太多，以免增加译码器的复杂性和译码时间。字段编码法分类字段直接编码法字段间接编码法译码器译码器译码器 UIR微命令微命令微命令操作控制字段顺序控制字段字段直接编码法各字段都可以独立地定义本字段的微命令，而和其他字段无关，因此又称为显式编码或单重定义编码方法。特点：缩短了微指令字，得到了广泛的应用。.译码 译码 译码 控制字段地址字段微命令微命令微命令uIR字段间接编码法在字段直接编码法的基础上，用来进一步缩短微指令字长的方法。间接编码的含义某些微命令需要几个字段的编码来联合定义，称为隐式编码或多重定义编码方法。&如: 字段

12、A受字段B的控制微指令编码法举例 假设某计算机共有256个微命令，如果采用直接控制法微指令的操作控制字段就要有256位；最短编码法操作控制字段只需要8位就可以了；字段直接编码法若4位为一个段，共需 段，操作控制字段只需18*4=72位，而且在同一时刻可以并行发出18个不同的微命令。微指令编码法举例ALUR1R2R3Cy+ -MDR468579123设：R1=3，R2=5。完成 R1+R2-R31、控4=1，R1 多路开关 X； 控7=1，R2 多路开关 Y2、控+=1，ALU完成3+53、控3=1， 3+5 R3XY微程序控制器微指令的格式举例 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23LDR1LDR2LDR3R1YR2XR2YR1