计算机组成原理教案第五章中央处理器

第五章中央处理器

5.1CPU的组成和功能

5.1.1CPU器的功能

CPU它具有如下四方面的基本功能:

★指令控制

★操作控制

★时间控制

★数据加工

5.L2CPU的基本组成和5.1.3CPU中的主要寄存器

CPU的基本部分由运算器、cache和控制器三大部分组成。

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，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整

个计算机系统的操作。它的主要功能有：

(1)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；

(2)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；

(3)指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。

运算器

由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态

条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算

器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是

由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。运算器有

两个主要功能：

(1)执行所有的算术运算；

⑵执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的

比较。

CPU模型参看

5.1.4操作控制器与时序产生器

数据通路：许多寄存器之间传送信息的通路

时序产生器：产生电平和脉冲，规定指令执行时间等。

操作控制器：就是根据指令操作码和时序信号，产生各

种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成

取指令和执行指令的控制。

根据设计方法不同，操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、

时序逻辑与存储逻辑结合型三种。

1.硬布线控制器

是采用时序逻辑技术来实现的;

2.微程序控制器

是采用存储逻辑来实现的；

3.前两种方式的组合

5.2指令周期

5.2.1指令周期的基本概念

指令周期CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间

总和。

CPU周期又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较

长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。

时钟周期通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含

若干个时钟周期。

下图示出了采用定长CPU周期的指令周期示意图。

T周期

—Tl-T2T3T4T1T2T3T4

CPU周期-CPU周期------>

（取指令）《执行指令》

指令周期

5.2.2-5.2.5指令周期

(1)CLA

(2)ADD30

(3)STA40

(4)NOP

(5)JMP

我们把前面的五条典型指令取指和执行过程

5.2.6用方框图语言表示指令周期

在进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示一条指令的

指令周期。

方框代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作

或某种控制操作。

菱形通常用来表示某种判别或测试，不过时间上它依附于紧

接它的前面一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期

我们把前面的五条典型指令加以归纳,

用方框图语言表示的指令周期

⑴“ADDR2,RO”指令完成(R0)+(R2)一RO的功能操作，

画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入PC中。

并列出相应的微操作控制信号序列。

(2)"SUBRI,R3”指令完成(R3)-(R1)-R3的操作，画出其

指令期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。

LR3->Y「一R3°,G,Yi

R昌|Rio,G,Xi

R3-R1->R3-3GjR3i

(a)加法⑻减法

5.3时序产生器和控制方式

5.3.1时序信号的作用和体制

用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那么CPU

是怎样识别出它们是数据还是指令呢？

电位脉冲

总之，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。

(1)硬布线控制器中，时序信号往往采用主状态周期-节拍

电位-节拍脉冲三级体制。

(2)在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节

拍电位■节拍脉冲二级体制。

5.3.2时序信号产生器

微程序控制器中使用的时序信号产生器由

时钟源、环形脉冲发生器、节拍脉冲和读写时序译

码逻辑、启停控制逻辑等部分组成。

中E2|_|3|_I4LJFKUR_JFl_

Ct1

C

2I11I

C3|1

c

411i1

RD'

RD|1

WE'

WE1I1

Tt1

T

2111ii1

T31111II

T41

V---------------CPU周期--------AH--------CPU周期--------*

5.3.3控制方式

控制方式即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、联合控制三种方式，其

实质反映了时序信号的定时方式。

1.同步控制方式

在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和

时钟周期数都固定不变。根据不同情况，同步控制方式可选取

如下方案：

(1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。

(2)采用不定长机器周期。

(3)中央控制与局部控制结合。

2.异步控制方式

其特点是：每条指令、每个操作控制信号需要多少时

间就占用多少时间。这意味着每条指令的指令周期可由多

少不等的机器周期数组成；也可以是当控制器发出某一操

作控制信号后，等待执行部件完成操作后发“回答”信号

,再开始新的操作。显然，用这种方式形成的操作控制序

列没有固定的CPU周期数（节拍电位）或严格的时钟周期（节

拍脉冲）与之同步。

3,联合控制方式

此为同步控制和异步控制相结合的方式。

情况（1）大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些

时间难以确定的操作则以执行部件的“回答”信号作为本次操

彳？的幺吉束^.

情况”；2）’机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的

机器周期数不固定。

5.4微程序控制器

5.4.1微命令和微操作

微命令控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。

微操作执行部件接受微命令后所进行的操作。

简单运算器数据通路

5.4.2微指令和微程序

微指令在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能

的微命令的组合。

微程序实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。

具体的微指令结构

林

电

信

号

nn

uu

冲

­■W林

一

d号

—

lHs

LDRjLDR2LDR3

5.4.3微程序控制器原理框图

它主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大

部分组成。

微程序控制器原理框图

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。

微指令周期就是只读存储器的工作周期。

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

5.4.4微程序举例

我们举“十进制加法”指令为例，具体看一看微程序控制的过

程。

5.4.5CPU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=读出微指令的时间+执行该条微指令的时间

下图示出了某小型机中CPU周期与微指令周期的时间关系:

♦读微

—执行微指令----------微指令周期---------指令

T1T2T3T4T1T2T3T4

——CPU周期----------CFU周期

机器指令与微指令的总结

1.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指

令序列组成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微指

令组成的序列来实现的。简言之，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。

2.CAI演示

3.我们在讲述本章5.2节时，曾讲述了指令与机器周期概念,

并归纳了五条典型指令的指令周期，并演示了这五条指令的

微程序流程图，每一个CPU周期就对应一条微指令。这就

告诉我们如何设计微程序，也将使我们进一步体验到机器

指令与微指令的关系。

【例2】设某计算机运算器框图如图(a)所示，其中ALU为16位的

加法器(高电平工作)，SA,SB为16位暂存器。4个通用寄存器由D

触发器组成，Q端输出，其读、写控制功能见下表。

RRAORA1选择WWAOWA1选择

100R0100R0

101R1101R1

110R2110R2

111R3111R3

0**不读出0**不写入

16位数据总线

ALU

(a)

微指令格式如下(未考虑顺序控制字段):

WAWA

RAQRAJ0RReset

WLDSALDStR)SJRL)-ALUSJRL)-ALU

i

要求：用二进制代码写出如下指令的微程序:

(1)“ADDRO,R1”指令,即(RO)+(R1)-R1

(2)“SUBR2,R3”指令,即(R3)-(R2)一R3

(3)“MOVR2,R3”指令，即(R2)一(R3)

MOV

R27sA

8

-CF7SE-

SA+SB->R3

T

5.5微程序设计技术

5.5.1微命令编码

微命令编码对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。通常

有以下三种方法：

1,直接表示法

这种方法的优点是简单直观，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。

2.编码表不法

微命令P1P2Pn

Il…LJ卜］

译码逐码

字段1字段2...........P字段下一个微地址

3.混合表示法

这种方法是把直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综

合考虑指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。

5.5.2微地址的形成方法

产生微地址有两种方法：

1.计数器方式

这种方法同用程序计数器来产生机器指令地址的方法相类似

在顺序执行微指令时微地址寄存器通常改为计数器

在非顺序执行微指令时，必须通过转移方式

2.多路转移方式

O在多路转移方式中，当微程序不产生分支时，后继

微地直接由微指令的顺序控制字段给出；

3当微程序出现分支时，有若干“后选”微地址可供选择：

即按顺序控制字段的“判别测试”标志和“状态条件”信息

来选择其中一个微地址。“判别测试”有n位标志，可实现

微程序2的n次方路转移，涉及微地址寄存器的n位。

【例3】微地址寄存器有6位((iA5-ptA0),当需要修改其内容时，可

通过某一位触发器的强置端S将其置“1”。现有三种情况：

⑴执行“取指”微指令后，微程序按IR的0P字段(IR3-IR0)进行16

路分支；

⑵执行条件转移指令微程序时，按进位标志C的状态进行2路分支;

(3)执行控制台指令微程序时，按IR4,IR5的状态进行4路分支。

请按多路转移方法设计微地址转移逻辑。

(l)fflPl和IR3-IR0修改piA3-piA0；

(2)用P2和C修改(1A0；

(3)用P3和IR5,IR4修改(iA5,RVL

另外还要考虑时间因素T4(假设CPU周期最后一个节拍脉冲)，故

转移逻辑表达式如下：

(1A5=P3IR5T4

(1A4=P3IR4T4

(1A3=P1IR3T4

piA2=PlIR2T4

piAl=Pl-IRl-T4

(1AO=P1IROT4+P2CT4

5.5.3微指令格式

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，叫

做水平型微指令。其一般格式如下：

控制字段判别测试字段下地址字段

按照控制字段的编码方法不同，水平型微指令又分为三种:

I.全水平型（不译法）微指令

II.字段译码法水平型微指令

III.直接和译码相混合的水平型微指令。

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，称为垂直型微指令。

下面举4条垂直型微指令的微指令格式加以说明。设微指

令字长为16位，微操作码3位。

(1)寄存器-寄存器传送型微指令

151312873/0

000源济行器编址目标寄存器编址其他

(2)运算控制型微指令

001左输入源编址右输入源编址ALU

(3)访问主存微指令

1513128732111

010寄存器编址存储器编址速写其他

(4)条件转移微指令

151312：43：0

0011测试条件

3•水平型微指令与垂直型微指令的比较

⑴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。

(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似

,相对来说，比较容易掌握。

5.5.4动态微程序设计

微程序设计技术有静态微程序设计和动态微程序设计之分。

。:筋强做程序度计

西窠用EP自6陶栅蜩鞋输丽

裱指绿熟禳耀珍果颔妻树器的指令系统.这种技术又称

为仿真其他机器指令系统

5.8.1并行处理技术

并行性的两种含义:

同时性指两个以上事件在同一时刻发生；

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概括起来主要有以下三种形式:

1.时间并行

2.空间并行

3.时间并行+空间并行

5.8.2流水CPU的结构

其中CPU按流水线方式组织，通常由三部分组成：指令部件、指令

队列、执行部件。

春

霞笠件交叉存读器

系

取指令

指令在四

计算掾作薮上也

栗址

富取母作数

央

FIFO

B处指•令取歹U

执彳亍的件

《指令工》舞森累盘运

2.流水CPU的时空图

图(a)表示流水CPU中一个指令周期的任务分解。

SIS2S3S4

入出

(a)一个指令流水线过程段

or*自匕

图(d)表示超标量流水计算机的时空图。

(d)超标量流水线时空图

3.流水线分类

指令流水线指指令步骤的并行。将指令流的处理过程划分

为取指令、译码、执行、写回等几个并行处理的过程段。

算术流水线指运算操作步骤的并行。

处理机流水线又称为宏流水线，是指程序步骤的并行。

5.8.3流水线中的主要问题

流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。

1.资源相关

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。

7^怦1I34簧8

I!(Load)IFIDEAra

12IFIDEXMEM岫

13IFIDEXJEM

1■(

14IFII'EXMEMWB

15IFIDEXMEM

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。

(1)II:ADDRI,R2,R3；(R2)+(R3)->R1

12:SUBR4,RI,R5；(RI)-(R5)->R4

RAW相关

(2)13:STAM(x),R3；(R3)->M(x),M(x)是存储器单元

14:ADDR3，R4,R5；(R4)+(R5)->R3

WAR相关

(3)15:MULR3，RI,R2；(R1)X(R2)->R3

16:ADDR3,R4,R5；(R4)+(R5)->R3

WAW

解决数据相关冲突的办法:

在流水CPU的运算器中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

控制相关冲突是由转移指令引起的。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：

延