中央处理器讲稿

1、关于中央处理器第一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6.1 CPU的基本结构与功能中央处理器简称CPU，是计算机系统的核心。主要功能：控制各个部件协调工作，具体有：1. 指令控制：严格控制程序的执行顺序，是CPU首要的任务2. 操作控制：CPU产生操作信号传送给被控部件，并能检测 各个部件发送的信号。3. 时序控制：对操作信号施加时间上的控制。 只有严格的时序控制，才能保证各功能部件组 合构成有机的计算机系统。4. 数据加工：数据加工处理是完成程序功能的基础，是CPU 的根本任务。组成：由运算器和控制器组成。 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。第二

2、张，PPT共二十八页，创作于2022年6月控制器的主要任务有：取指 从主存中取出指令送到指令寄存器，指令的操作码送给指令译码器，并同时修改程序计数器，以便于指出下一条指令在主存中的存放地址。译码 对译码器中的指令操作码进行识别和解释，产生相应的操作控制信号。从而启动相应的部件，完成此指令规定的操作。数据流控制指挥和控制CPU、主存及输入输出部件之间的数据流动方向 运算器由算术逻辑部件ALU、累加器、数据缓冲寄存器、寄存器组和状态寄存器组成，是数据加工处理部件。CPU主要组成部件逻辑结构图见书157：图61第三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6.1.3 CPU内部寄存器1、寄存器：是C

3、PU中的重要组成部分，是CPU内部的临时存储单元。寄存器增加可以提高CPU运行速度。2、存放内容：数据、地址、控制信息、CPU的工作状态信息3、分类：可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。第四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月数据缓冲寄存器DR用来存放CPU从主存读来的一个指令字或一个数据字作用是：（1）作为CPU与主存、外围设备之间的信息中转站（2）对数据起到缓冲作用，补偿CPU与主存、外围设备之间的操作时间差异。（3）缓冲寄存器为算术逻辑部件提供另一个操作数。指令寄存器IR当CPU从主存中取指令时，取得的指令经缓冲寄存器转送到指令寄存器。还有对指令中的操作码进行译码的任务。程序计数器

4、PC用来确定下一条指令在主存中的地址。修改PC值可以：顺序执行指令或者分支转移指令执行。地址寄存器AR用来保存当前CPU所要访问的主存单元或I/O端口地址。第五张，PPT共二十八页，创作于2022年6月5. 累加寄存器AC简称累加器。信息来源于缓冲寄存器或算术逻辑单元，数据出口是ALU。6. 状态寄存器PSW用来保存执行算术运算指令、逻辑运算指令及各类测试指令时自动产生的状态结果，为后续指令的执行提供判断条件。6.1.4 操作控制器和时序产生器数据通路：即许多寄存器之间传送信息的通路。在各类寄存器之间建立数据通路的任务由操作控制器来完成 操作控制器的功能就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操

5、作控制信号，用来正确的建立数据通路，完成取指令和执行指令的控制。 根据不同的设计，操作控制器分为：时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑型与存储逻辑型结合型第六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6.2 指令的执行过程指令周期的基本概念非访内指令的指令周期直接访内指令的指令周期间接访内指令的指令周期程序控制指令的指令周期用方框图语言表示指令周期第七张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6.2.1 指令周期 CPU可以轻松的区别出指令和数据是因为它能按程序中的指令序列取指，并对指令进行译码、执行。 具体过程：先按程序计数器的值从主存中取得一条指令，然后译码、执行，接着又取下一条指令，译码、执

6、行。直至遇到停机指令。见图P160 6-2 指令周期：从主存中取出一条指令到执行完这条指令的时间。机器周期：即CPU周期。时钟周期：处理操作的最基本的单位又叫节拍脉冲或T周期。 指令周期常用机器周期来表示，一个机器周期又包含若干个时钟周期。 如果指令执行时间的节拍数与取指的节拍数相同，叫定长CPU周期。见图P160 6-3 为了提高指令的执行速度，有的计算机采用不定长的CPU周期，可以缩短指令的执行时间。见图P161 6-4第八张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6.2.2 非访内指令的指令周期一条这样的指令的指令周期需要2个CPU周期。第1个CPU周期用来进行取指和译码操作。第2个CP

7、U周期用于指令的执行操作。在整个取指，译码阶段，CPU完成下面的操作：图6-5 （1）从主存中取出指令（2）程序计数器PC的值加1送PC，确定下一条指令的地址（3）对取得的指令的操作码进行译码，确定该指令的操作。取指译码阶段P162图6-6指令执行阶段P162图6-76.2.3 直接访内指令的指令周期送操作数地址取操作数和指令执行P164图6-8第九张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6.2.4 间接访内指令的指令周期送地址指针取操作数地址存储结果P166图6-116.2.5 程序控制指令的指令周期P168图6-136.2.6 指令周期流程图P169图6-146.3 时序产生器和控制方式

8、6.3.1 时序信号的作用和体制CPU 区别指令和数据是依靠：1.从时间上：取指令发生在指令周期的第1个CPU周期中。 取数据发生在指令周期的后几个CPU周期中。2.从空间上：若取出的代码是指令，则一定送到指令寄存器 若取出的代码是数据，一定送到运算器。计算机的协调动作需要时间标志，时间标志是用时序信号体现的第十张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是电位-脉冲制。 硬布线控制器中，时序信号采用主状态周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制。 一个节拍电位表示一个CPU周期的时间，表示了一个较大的时间单位。 在一个节拍电位中又包含若干个节拍脉冲，

9、表示较小的时间单位；主状态周期可包含若干个节拍电位，它是最大的时间单位。主状态周期可以用一个触发器的状态持续时间表示。 在微程序控制器中，采用节拍电位-节拍脉冲二级体制。只有一个节拍电位，在节拍电位中又包含若干个节拍脉冲（时钟周期）。节拍电位表示一个CPU周期的时间，而节拍脉冲把一个CPU周期划分成几个较小的时间间隔。6.3.2 时序信号产生器1. 时钟源第十一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成。输出送到环形脉冲发生器。2. 环形脉冲发生器 产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲

10、序列，通过译码电路来产生最后所需的节拍脉冲。3. 启停控制逻辑 核心是一个运行标志触发器Cr6.3.3 控制方式控制器的控制方法：控制不同操作序列时序信号的方法。常用的有：同步控制、异步控制、联合控制。实质反映了时序信号的定时方式。1. 同步控制方式已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数是固定不变的。第十二张，PPT共二十八页，创作于2022年6月可选取的方案：（1）采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。 对简单指令和简单操作来说，造成时间浪费。（2）采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一个较短 的机器周期内完成。（3）中央控制与局部控制结合。 中央控制：将大部分指令安排在固定的

11、机器周期完成。 局部控制：对少数复杂指令采用另外的时序进行定时。2. 异步控制方式特点：每个指令、操做控制信号需要多少时间就占用多少时间用这种方式形成的操作控制序列没有固定的CPU周期数或严格的时钟周期和它同步。3. 联合控制方式是同步和异步控制结合的方式。一个是，大部分操作序列安排在固定的机器周期中一个是，机器周期的节拍脉冲数固定，但各条指令周期的机器周期数不固定。第十三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6.4 微程序控制器微程序的控制原则：以保存在只读存储器内的专用程 序代替逻辑控制电路。这种只读存储器称为控制存储器。以微程序形式保存控制信号叫微程序控制器。微程序控制器和硬布线控制

12、器相比较，具有归整性、灵活性、可维护性等优点。 微程序的基本思想：仿照通常的方法，把操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器中。当机器运行时，一条又一条的读出这些微指令，产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作。第十四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6.4.1 微命令和微操作控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，这种控制命令叫微命令。而执行部件接受微命令后所进行的操作叫微操作。微操作在执行部件中是最基本操作。相容性微操作：在同时或在同一个CPU周期内可以并行执行得微操作。相斥性微操作：指不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作。6

13、.4.2 微指令和微程序在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合构成一条微指令。微指令由操作控制和顺序控制组成。操作控制用来发出管理和指挥全机工作的控制信号。 微指令格式中的顺序控制部分用来决定产生下一条微指令的地址。第十五张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列通常叫做微程序。6.4.3 微程序控制器原理框图 主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成，其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。控制存储器：用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读型存储器。一旦微程序固化

14、，机器运行时则只读不写。 读出一条微指令并执行微指令的时间总和称为一个微指令周期。控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。微指令寄存器：用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。 第十六张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 地址转移逻辑：微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。 6. 4. 4 微程序举例 一条机器指令是由若干条

15、微指令组成的序列来实现的。因此，一条机器指令对应着一个微程序，而微程序的总和便可实现整个的指令系统。6. 4. 5 CPU周期与微指令周期的关系 在串行方式的微程序控制器中，微指令周期等于读出微指令的时间加上执行该条微指令的时间。为了保证整个机器控制信号的同步，可以将一个微指令周期时间设计得恰好和CPU周期时间相等。 6.4.6 机器指令与微指令的关系 第一：一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完 成，由微指令进行解释和执行。 第十七张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 第二：指令与微指令与内存储器有关；程序与微程序与控制 存储器有关，也有相对应的硬设备第三：每一个CPU周期就对

16、应一条微指令。 6. 5 微程序设计技术设计微指令结构应当追求的目标是： (1) 有利于缩短微指令字长度； (2) 有利于减小控制存储器的容量； (3) 有利于提高微程序的执行速度； (4) 有利于对微指令的修改； (5) 有利于提高微程序设计的灵活性。6. 5. 1 微命令编码 微命令编码，就是对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。有以下三种方法 ： (1)直接表示法 ：特点是操作控制字段中的每一位代表一个微命令。优点是简单直观，其输出直接用于控制。缺点是微指令字较长，因而使控制存储器容量较大。 第十八张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 （2）编码表示法 ：把一组相斥性的微命令信号

17、组成一个小组（即一个字段），然后通过小组（字段）译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号 。优点是可以用较小的二进制信息位表示较多的微命令信号。缺点是由于增加译码电路，使微程序的执行速度稍稍减慢。（3）混合表示法 ：是把直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综合考虑微指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。6. 5. 2 微地址的形成方法 微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何确定下一条微指令的地址问题。产生后继微地址有两种方法：1计数器方式 同用程序计数器来产生机器指令地址的方法相类似。 特点是：微指令的顺序控制字段较短，微地址产生机构简单。缺点是：多路并行转移功能较

18、弱，速度较慢，灵活性较差。第十九张，PPT共二十八页，创作于2022年6月2多路转移方式 一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。 特点是：能以较短的顺序控制字段配合，实现多路并行转移，灵活性好，速度较快。缺点是：转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。 6. 5. 3 微指令格式 微指令的编译方法是决定微指令格式的主要因素。微指令的格式大体分成两类：水平型微指令和垂直型微指令。1水平型微指令 一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令。2垂直型微指令 微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能。3水平型微指令与垂直型微指令的比较 第二十张，PPT共二十八页，创

19、作于2022年6月 （1）水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则较差。（2）水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。（3）由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字比较短而微程序长。 （4）水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与机器指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。 6. 5. 4 动态微程序设计 6. 6 硬布线控制器6. 6. 1 基本思想 是把控制部件看做为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上对它

20、重新布线，否则要想增加新的控制功能是不可能的。是一种由门电路和触发器构成的复杂树形网络。第二十一张，PPT共二十八页，创作于2022年6月6. 6. 2 指令执行流程 6. 6. 3 微操作控制信号的产生 在微程序控制器中，微操作控制信号由微指令产生，并且可以重复使用。6. 7 流水CPU 6. 7. 1 并行处理技术 并行性有着两种含义：一是同时性，指两个以上事件在同一时刻发生；二是并发性，指两个以上事件在同一时间间隔内发生。 计算机的并行处理技术可贯穿于信息加工的各个阶段，概括起来主要有三种形式：（1）时间并行；（2）空间并行；（3）时间并行+空间并行。 时间并行：指时间重叠，时间并行性概

21、念的实现方式就是采用流水处理部件。空间并行：指资源重复，主要体现在多处理器系统和多计算机系统。但是在单处理器系统中也得到了广泛应用。 第二十二张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 时间并行+空间并行 ：指时间重叠和资源重复的综合应用，既采用时间并行又采用空间并行。6. 7. 2 流水CPU的结构 1水平型微指令流水计算机的系统组成 由三大部分组成：指令部件、指令队列、执行部件。这三个功能部件可以组成一个3级流水线。2流水CPU的时空图 3流水线分类 （1）指令流水线 指令流水线是指指令步骤的并行。（2）算术流水线 算术流水线是指运算操作步骤的并行。 （3）处理机流水线 处理机流水线又称为

22、宏流水线，是指程序步骤的并行。 6. 7. 3 流水线中的主要问题 由于流水过程中会出现以下三种相关冲突，实现流水线的不断流是困难的。这三种相关是资源相关、数据相关和控制相关。 第二十三张，PPT共二十八页，创作于2022年6月1资源相关 是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。 2数据相关 在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。 为了解决数据相关冲突，流水CPU的运算器中特意设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为“向前”或定向传送技术。 3控制相关 由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流。 为了减小转移指令对流水线性能的影响，常用以下两种转移处理技术： 第二十四张，PPT共二十八页，创作于2022年6月 延迟转移法 由编译程序重排指令序列来实现。基本思想是“先执行再转移” 转移预测法 硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来的行为。6. 7. 4 奔腾CPU 1奔腾CPU的结构框图（P187） 2 Pentium的技