计算机组成原理第八章CPU结构与功能

第８章CPU的结构和功能8.1CPU概述8.2控制器单元CU8.3多级时序系统8.4中断系统8.1CPU概述一、CPU功能取指令分析指令执行指令，发出各种操作命令控制程序输入及结果的输出总线管理处理异常情况和特殊请求1.控制器功能2.运算器功能实现算术运算和逻辑运算指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断二、CPU结构PCIR指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断ALU寄存器中断系统CU时序电路寄存器ALU

中断

系统CUCPU控制总线数据总线地址总线1.用户可见寄存器(1)通用寄存器三、CPU寄存器存放操作数，地址可作

某种寻址方式所需的专用寄存器(2)数据寄存器存放操作数（满足各种数据类型）(3)地址寄存器存放地址，其位数应满足最大的地址范围段基值栈指针(4)条件寄存器存放条件码，可作程序分支的依据如正、负、零、溢出、进位等2.控制寄存器MAR,MDR,PC,IRPC控制CPU操作

MAR、MDR、IR

用户不可见

PC

用户可见MARMMDRIR指令寄存器控制单元

CU…时钟标志CPU内部的控制信号到系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号系统总线

8.2控制单元CU一、控制器结构1.输入信号(1)时钟(2)指令寄存器(4)外来信号(3)标志CU受时钟控制控制信号与操作码有关OP(IR)CUCU受标志控制INTR中断请求HRQ总线请求如2.输出信号(1)CPU内的各种控制信号(2)送至控制总线的信号Ri

Rj(PC)+1PCINTAHLDA访存控制信号访IO/

存储器的控制信号读命令写命令中断响应信号总线响应信号MREQIO/MRDWRALU＋、－、与、或……二、指令工作周期取指周期间址周期执行周期中断周期控制单元具有发出各种微操作命令序列的功能。（1）指令的指令周期不同取指周期指令周期取指周期

执行周期指令周期NOPJMPXADDmemMULmem取指周期执行周期指令周期…（2）具有间接寻址的指令周期（3）带有中断周期的指令周期取指周期间址周期指令周期执行周期取指周期间址周期指令周期执行周期中断周期（4）指令周期流程取指周期执行周期有间址吗？有中断吗？间址周期中断周期是是否否1、取指周期PCMAR地址线1RM(MAR)MDRMDRIR(PC)+1PC+1MDRCUMAR

PC

IR存储器CPU地址总线数据总线控制总线OP（IR）CU2、间址周期

M(MAR)MDR1RAd(IR)MARMDRAd(IR)指令形式地址MARMDRCUMARCPU地址总线数据总线控制总线IR存储器

PC

3、执行周期

(1)非访存指令例：CLA

清A0ACC

(2)访存指令Ad(IR)MAR1RM(MAR)MDR(ACC)+(MDR)ACCADDX例：加法指令4、中断周期程序断点进栈向量地址PC0EINT（置“0”）向量地址PCMDRM(MAR)PCMDR1W

中断识别程序入口地址MPC(SP)1MAR三、控制信号工作过程PCIRACCU时钟ALU………控制信号标志控制信号C0C1C2C3C4取指周期

ADD@XPCIRCU1.不采用CPU内部总线的方式PCPCPC

MDR

MAR

MDR

MARPCIRACCU时钟ALU………控制信号标志控制信号

MDR

MARC1C2C3C5ADD@X间址周期IR

MDR

MDR

MARPCIRACCU时钟ALU………控制信号标志控制信号

MDR

MARC1C2C5ADD@X执行周期C7C6C8ACALU…控制信号

MDR

MAR

MDRMDRMDRCU(1)ADD@X取指周期PCCU

发读命令

1RMDROP（IR）

（PC）+1PCIRPCMARAC

YALUZ…控制信号IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO…

数据线数据线控制信号CPU

内部总线时钟2.采用CPU内部总线方式地址线地址线MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(2)ADD@X间址周期MDR1RMDR有效地址

Ad（IR）MDROMDRO

数据线数据线时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信号…控制信号CPU

内部总线MDRIRMARi

MARi地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址MAR

CU时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ…控制信号CPU

内部总线MDROMDRO(3)ADD@X执行周期1RMDRZAC（AC）+（Y）MDR控制信号…MARMDR地址线

地址线

数据线数据线MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi

YALUACACOACOALUiALUiALUALUACZZZZOZOACiACiACACACACMARi

MARiALUACCU四、控制单元CU设计1.CU产生全部指令的微操作命令序列组合逻辑设计微程序设计硬连线逻辑存储逻辑

组合逻辑控制器

采用组合逻辑技术来实现控制操作，把控制部件看成是产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，

电路由门电路和触发器构成的复杂逻辑网络。硬件电路复杂。不易扩充指令和功能。

微程序控制器

将机器指令编写一个微程序，每个微程序包含若干个微指令，每个微指令对应一个或几个微命令。将微程序存储在控制寄存器中，逐步执行每一条微指令，就完成了一条机器指令的全部操作。

8.3多级指令时序系统1、指令周期取出并执行一条指令所需的全部时间完成一条指令执行取指、分析取指阶段取指周期执行阶段执行周期（取指、分析）（执行指令）指令周期取指周期执行周期2、机器周期(1)机器周期的概念(2)确定机器周期需考虑的因素(3)基准时间的确定所有指令执行过程中的一个基准时间每条指令的执行步骤每一步骤

所需的时间

以完成最复杂

指令功能的时间为准

以访问一次存储器

的时间为基准若指令字长=存储字长取指周期=机器周期3、时钟周期（节拍、状态）一个机器周期内可完成若干个微操作每个微操作需一定的时间时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段（节拍、状态、时钟周期）用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令CLKT0T1T2T3时钟周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T34.多级时序系统机器周期、节拍（状态）组成多级时序系统一个指令周期包含若干个机器周期一个机器周期包含若干个时钟周期CLK机器周期机器周期机器周期（取指令）（取有效地址）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3机器周期机器周期（取指令）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2

节拍(状态)

节拍(状态)5.机器速度与机器主频的关系机器的

主频f越快

机器的速度也越快在机器周期所含时钟周期数相同的前提下，两机平均指令执行速度之比等于两机主频之比机器速度

不仅与主频有关，还与机器周期中所含时钟周期（主频的倒数）数

以及指令周期中所含的机器周期数有关MIPS1MIPS2=f1f2例9.3设某计算机的CPU主频为8MHz,每个机器周期平均含2个时钟周期，每条指令的指令周期平均有2.5个机器周期，试问该机的平均指令执行速度为多少MIPS？若主频不变，每个机器周期平均含4个时钟周期，每条指令的指令周期平均含有5个机器周期，则该机的平均指令执行速度又是多少MIPS，由此可以得出什么结论？产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式1.同步控制方式任一微操作均由统一基准时标

的时序信号控制CLK机器周期机器周期机器周期（取指令）（取有效地址）（执行指令）指令周期T0T1T2T3T0T1T2T3T0T1T2T3(1)采用定长

的机器周期以最长

的微操作序列

和最繁

的微操作作为标准机器周期内节拍数相同(2)采用不定长的机器周期机器周期机器周期（取指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长机器周期内节拍数不等(3)采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍

T3T0T1中央控制节拍机器周期执行周期指令周期取指周期T0T1T2T3局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致T*T*T*局部控制节拍…2.异步控制方式无基准时标信号无固定的周期节拍和严格的时钟同步采用应答方式8.4中断系统一、概述1.引起中断的各种因素(1)人为设置的中断(2)程序性事故如转管指令溢出、操作码不能识别、除法非法(5)外部事件(4)I/O设备(3)硬件故障用键盘中断现行程序转管指令……管理程序

二、中断工作过程1.中断请求多个INTR

组成中断请求标记寄存器12345n掉电过热阶上溢主存读写校验错非法除法键盘输入打印机输出2.中断判优①

分散

在各个中断源的接口电路中链式排队器②集中

在CPU内(1)硬件实现（排队器）(2)软件实现（程序查询）3.中断响应中断响应条件中断隐指令4、中断服务硬件向量法入口地址200入口地址300入口地址40012H13H14H主存向量地址形成部件……中断向量排队器输出向量地址

12H、13H、14H入口地址

200、300、4005、中断返回IRET中断程序1……..中断程序2200300主存400中断程序31.多重中断概念klmk

+1l

+1m

+1第一次中断第二次中断第三次中断程序断点k+1,l+1,m+1三、中断屏蔽技术2.实现多重中断条件B、CA中断请求主程序(2)优先级别高

的中断源有权中断优先级别低

的中断源(1)提前

设置开中断

指令ABCD中断服务程序（A、B、C、D优先级按降序

排列）D3.屏蔽技术

对于每个中断源来说，有一个中断请求触发器和一个中断屏蔽触发器.

将所有中断的中断屏蔽寄存器组合，构成中断屏蔽字，屏蔽字与中断源的优先级一一对应。(2)屏蔽字

优先级屏蔽字111111111111111101111111111111110011111111111111000111111111111100001111111111110000011111111111…000000000000001100000000000000011234561516…16个中断源1，2，3，

16按降序

排列…

屏蔽技术可改变处理优先等级响应优先级响应优先级A→B→C→D

降序排列

不可改变处理优先级可改变（通过重新设置屏蔽字）中断源原屏蔽字新屏蔽字ABCD11110111001100011111010001100111处理优先级A→D→C→B

降序排列服务程序B处理完C处理完D处理完A处理完t主程序A程序B程序C程序D程序A、B、C、D同时请求中断CPU执行程序轨迹（原屏蔽字）服务程序D处理完C处理完B处理完A处理完t主程序A程序B程序C程序D程序A、B、C、D同时请求中断CPU执行程序轨迹（新屏蔽字）(3)屏蔽字设置

保护现场

置屏蔽字

开中断

中断服务

关中断

恢复现场

恢复屏蔽字

开中断

中断返回

置屏蔽字

恢复屏蔽字

关中断

开中断例1、现有A、B、C、D四个中断源，其优先级由高向低按A、B、C、D顺序排列。若中断服务程序的执行时间为20s，请根据下图所示时间轴给出的中断源请求中断的