计算机组成与体系结构 课件 09CPU组织、10控制器的功能与设计

CPU组织计算机组成与体系结构CPUCentralProcessingUnit主要构成运算器控制器高速缓存Cache数据通路（内部总线）……CPU的功能指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，严格按程序规定的顺序进行，因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。操作控制：一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行操作。时间控制：对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。数据加工：所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，是CPU的根本任务，因为，原始信息只有经过加工处理后才能对人们有用。CPU的基本组成运算器：数据加工算术逻辑单元ALU累加寄存器（或通用寄存器）数据缓冲寄存器状态条件寄存器控制器：发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作程序计数器指令寄存器、指令译码器时序产生器操作控制器控制器的主要功能从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。简化的CPU视图寄存器组织用户可见寄存器（User-VisibleRegister）允许机器语言或汇编语言的编程人员通过优化寄存器的使用而减少对主存的访问。控制和状态寄存器（ControlAndStatusRegister）用来控制CPU的操作并被特权的操作系统程序用于控制程序的执行。用户可见寄存器通用寄存器（GeneralPurposeRegister）可被程序员指派各种用途。有时，它们在指令集中的使用是正交于操作的，即任何通用寄存器能为任何操作码容纳操作数。这提供了真正通用的意义。条件代码（ConditionCodes）寄存器，也被称为程序状态字（ProgramStatusWord，PSW），CPU硬件设置这些条件位作为操作的结果。存储数据寄存器仅可用于保持数据而不能用于操作数地址的计算。存储地址寄存器可以是自身有某些通用性，或是专用于某种具体的寻址方式。控制和状态寄存器程序计数器（PC）：含有待取指令的地址。指令寄存器（IR）：含有最近取来的指令。存储地址寄存器（MAR）：含有存储器位置的地址。存储缓冲寄存器（MBR）：也称为存储数据寄存器（MDR），含有将被写入存储器的数据字或最近读出的字。寄存器组织示例x86EFLAGSRegister简单CPU模型操作控制器作用：根据指令，产生对应的控制信号类型硬布线控制器，它是采用组合逻辑控制器来实现的，它的优点是速度快，缺点是结构不规整，设计、调试、维护较困难微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的，优点是设计规整，调试、维护、扩充指令方便控制器的时序系统计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号来体现的。一般来说，控制器发出的各种控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部件位置）的函数。时序产生器的作用就在于将各种控制信号严格定时，使多个控制信号在时间上相互配合完成某一功能。指令执行的基本过程取指令阶段取指令阶段对所有指令都是相同的，它是将程序计数器（PC）的内容作为地址去读内存，将该单元的内容即指令读出送往指令寄存器（IR）。同时PC的内容自增，指向下一条指令，也就是说取指令是一次内存的读操作。取操作数阶段取操作数仅针对操作数存放在内存的情况。由于寻址方式的不同（直接、间接、基址、相对、变址等），取操作数的过程也大不相同，取操作数是一次或多次内存的读操作，还可能包括操作数地址的计算（如变址、基址、相对等）。执行指令阶段执行指令是根据指令操作码对操作数实施各种算术、逻辑及移位操作。对于结果地址在内存的，还应包括一次内存的写操作。对于转移指令或子程序调用及返回等指令，应对PC的内容进行更新。控制器的基本控制方式指令的繁简程度不同，所需要的执行时间也有很大差异。如何根据具体情况实施不同的控制，就是控制方式所需要解决的问题基本方式同步控制方式异步控制方式准同步控制方式同步控制方式系统有一个统一的时钟，所有的控制信号均来自这个统一的时钟信号同步控制方式又可分为以下几种定长指令周期定长CPU周期变长CPU周期、定长节拍周期折中方式异步控制方式异步控制方式中没有统一的时钟信号，各部件按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络异步控制相对于同步要复杂实例：内存或I/O设备的Ready信号准同步控制方式又称为联合控制方式，是介于同步异步中间的一种折中，或者说是异步方式的同步化准同步方式是CPU进行内存的读/写操作和I/O数据传输操作通常采用的方式，较好地解决了同步与异步的衔接问题组合逻辑控制器的时序系统指令周期、CPU周期、节拍周期和节拍脉冲组合逻辑控制器的时序产生器微程序控制器的时序系统与组合逻辑控制器的时序系统相比，微程序控制器的时序系统要简单得多在微程序控制方式中，是将一条机器指令转化为一段有微指令组成的微程序微指令的读取和执行所用的时间定义为微程序控制器的基本时序单位，称为“微周期”微程序控制器的时序系统模型机数据通路模型机指令系统寻址字段第3、2、1、0位寻址方式及相关寄存器0000寄存器寻址AX0001寄存器寻址BX0010寄存器寻址CX0011寄存器寻址DX0100寄存器间接寻址[BP]0101寄存器间接寻址[BX]0110寄存器间接寻址[SI]0111寄存器间接寻址[DI]1000立即寻址，双字长指令，第二字为立即数imm1001未定义1010直接寻址，双字长指令，第二字为Addr1011间接寻址，双字长指令，第二字为[Addr]1100基址寻址，双字长指令，第二字为disp，[BP+disp]1101相对寻址，双字长指令，第二字为disp，[PC+disp]1110源变址寻址，双字长指令，第二字为Addr，Addr+[SI]1111目的变址寻址，双字长指令，第二字为Addr，Addr+[DI]双操作数指令格式单操作数指令格式无操作数指令格式模型机的时序控制器的功能与设计计算机组成与体系结构指令周期分析简单CPU模型模型机数据通路硬布线控制器硬布线控制器设计思想：把控制器看作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。这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形网络，故称之为硬布线控制器。硬布线控制器的特点特征用与-或两级构成的逻辑电路生成控制信号线路延时小，指令执行速度快适合实现比较精简的指令系统（早期）常用于实现RISC机（当前）较容易实现并行优点速度快缺点设计、调试困难，整个控制器繁杂、零乱，缺乏规整性，扩充指令困难，制作系列机时较难实现控制器的输入来自指令操作码译码器的输出I来自执行部件的反馈信息B来自时序产生器的时序信号硬布线控制器的基本原理某一微操作控制信号C是指令操作码译码器输出I、时序信号（节拍电位M，节拍脉冲T）和状态条件信号B的逻辑函数硬布线控制器的设计步骤将各指令的CPU周期微流程用微操作表示将指令微流程中的各个微操作落实到具体的CPU周期、节拍周期或节拍脉冲对于指令流程图中的出现的每一个微操作，用一个逻辑与表达式来表示硬布线控制器的设计步骤“与”项包括如下内容：指令操作码的译码信息寻址方式译码信息PSW中的状态信息或命令信息来自内存或I/O接口的信息CPU周期信息节拍周期或节拍脉冲信息硬布线控制器的设计步骤对微操作信号进行逻辑综合，这一步是对第3步得到的所有同名微操作进行逻辑或对于以上第3步和第4步的每一个微操作的逻辑表达式用逻辑器件实现最终逻辑表达式形式为：

硬布线控制器的特点（解释原因）设计过程繁琐，结构复杂，不便于调试控制器缺乏规整性，不便于扩充指令微操作控制信号产生速度快模型机的时序取指令周期FIC微流程控制信号举例根据上图对于微操作PC→IB和ARin，有如下逻辑与表达式：PC→IB＝FIC·T0（使用节拍周期信号T0）ARin＝FIC·P0（使用节拍脉冲信号P0）将所有指令微流程中的PC→IB和ARin进行综合，可得到如下形式的逻辑表达式：PC→IB＝FIC·T0＋……＋XX…XARin＝FIC·P0＋……＋XX…X有多少个微操作信号，就应该有多少个这样的逻辑表达式。模型机的硬布线控制器微程序控制器微程序控制器的基本思想微程序控制是将程序设计的思想引入硬件逻辑控制，把控制信号编码并有序的存储起来，将一条指令的执行过程替换成多条微指令的读出和控制的过程基本概念微命令微操作微指令微周期微程序微程序控制器组成微指令格式微指令格式追求的目标微指令的宽度尽量短，这意味着减少CM的容量微程序尽量短，这不但意味着指令的执行速度高，而且也意味着CM的容量小微指令包括微命令部分和下地址部分下地址字段控制命令字段微指令格式微地址微地址形成顺序执行无条件转移条件转移多分支转移下地址字段组织方案

微下地址

下地址方式微转移条件8位4位4位微命令微命令间关系相容互斥微命令编码方式直接控制直接编码间接编码微程序控制器特点采用ROM存储控制信号可扩展性好，系列机的兼容性易实现容易实现复杂的指令系统性能比较低并行性不太好主要用在CISC中微程序控制器的设计步骤微命令编码设计首要问题是找出哪些微命令是互斥的，哪些微命令是相容的微指令下地址字段设计微程序地址空间分配下地址形成方式设计各条指令的微程序设计4位4位2位2位5位4位4位9位4位XX→IBXXinDR相关AR相关各类算术逻辑运算各类计数其他微操作次地址NA次地址控制NAC0：NOP1：AX→IB2：BX→IB3：CX→IB4：DX→IB5：SI→IB6：DI→IB7：BP→IB8：SP→IB9：S→IBA：T→IBB：PC→IBC：PSW→IBD：DR→IBE：Rx→IBF：Ry→IB0：NOP1：AXin2：BXin3：CXin4：DXin5：SIin6：DIin7：BPin8：SPin9：SinA：TinB：PCinC：PSWinD：DRinE：RxinF：Ryin0：NOP1：DR→DB2：DB→DR0：NOP1：AR→AB2：ARin3：IRin

00：NOP01：ADD02：ADC03：SUB04：SUBB05：AND06：OR07：XOR08：SAL09：SAR0A：SHR0B：ROL0C：ROR0D：RCL0E：RCR0F：0→T10：INC11：DEC12：NEG13：NOT15：＋2SI16：－2SI0：NOP1：

2DI2：

2DI3：

2SP4：

2SP5：

2PC6：0→PC7：

1CX8：

1CT9：0→CT0：NOP1：MMRD2：MMWR3：IORD4：IOWR5：INTA6：DMAA7：0→AX－18：1→AX－1

模型机的微指令格式微程序地址空间分配微程序功能地址分配取指令及取操作数000H～020H双操作数算术逻辑指令执行（9条）021H～06FHMOV指令执行070H～077HIMUL指令执行078H～07FHIDIV指令执行080H～08FHIN/OUT指令执行090H～097H单操作数算术逻辑指令执行（5条）098H～0AFH移位类指令执行（7条）0B0H～0DFHPUSH/POP指令执行0E0H～0EFHCALL/RET指令执行0F0H～0FFH转移及循环类指令执行100H～10FH中断周期隐指令110H～11FHIRET指令执行120H～128H…………模型机微程序占CM单元约512个次地址字段应为9位次地址控制字段（NAC）设计NAC编码（H）次地址产生方式0顺序1无条件转移2当READY信号到后，无条件转移3两分支：若(CT)≠0，转移；

若(CT)＝0，顺序（用于乘除法运算控制步数）4两分支：IR15～9为全0（无操作数指令或转移类指令）转移；IR15～9≠0（单、双操作数指令）顺序5多分支：NA→

AR，IR3、2→AR3、2（按寻址方式多路转移）6多分支：NA→

AR，IR2、1、0→AR2、1、0（按寻址方式多路转移）7多分支：按指令操作码OP实现多路转移8两分支：IR7＝0（Ry为源寄存器），转移；

IR7＝1（Ry为目的寄存器），顺序9两分支：IR3、2≠00（Rx为内存寻址），转移；

IR3、2＝00（Rx为寄存器寻址），顺序A两分支：若(CX)≠0，转移；(CX)＝0，顺序B多分支：补码乘法（Booth算法）中，根据AX0、AX－1的值实现三路转移C两分支：补码除法（加减交