计算机组成原理简明教程课件chap06.ppt

1、2020年7月27日，第6章第1页，中央处理器，计算机组成原理概论，清华大学出版社，教学目标教学重点教学过程，2020年7月27日，第2页，教学目标，掌握中央处理器的基本工作原理，掌握控制器的组织方式，掌握程序控制的基本思想，2020年7月27日，第3页，教学重点，中央处理器的一般结构，指令执行和定时发生器，微程序设计技术和微程序控制器，硬接线控制器和门显示控制器， 2020年7月27日，第4页，教学过程，6.1中央处理器的总体结构6.2指令执行和定时发生器6.3微程序设计技术和微程序设计控制器6.4硬线控制器和门阵列控制器6.5新的中央处理器技术，2020年7月27日，第5页，6.1中央处理

2、器的总体结构，在计算机系统中，中央处理器由控制器和运算单元组成。 控制器是整个系统的指挥中心。在控制器的控制下，运算单元、存储器和输入输出设备构成一个有机的整体。2020年7月27日，第6页，6.1中央处理器的整体结构，当代主流计算机仍然遵循冯诺伊曼的“存储程序，程序控制”的思维程序告诉计算机：什么操作应该一步一步地执行；在哪里查找操作数据，在哪里存储结果，等等。中央处理器是控制计算机自动完成获取指令和执行指令任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为中央处理器。2020年7月27日，第7页，6.1.1中央处理器的功能和组成(1/5)。首先，中央处理器的基本功能(1)程序控制确保机器按照一定

3、的顺序执行程序，这是中央处理器的主要任务。(2)操作和控制一条指令的功能通常是通过几个操作信号的组合来实现的。(3)时间控制对各种操作实施时间控制称为时间控制。各种指令的操作信号严格受时间控制。指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。(4)数据处理，2020年7月27日，第8页，6.1.1中央处理器的功能和组成(2/5)，2。控制器的功能(基本功能)控制器的基本功能是负责读取、识别和解释指令，并指导和协调每个功能组件执行指令。3.程序控制原理1。编程2。发送内存(通过输入设备)3。当机器工作时，它按照一定的顺序一条一条地取出指令，分析它们，执行它们，并自动转移到下一条指令上执行，直到程序中指定

4、的任务完成。4.程序控制由控制器承担，程序存储由存储器完成。2020年7月27日，第9页，6.1.1中央处理器的功能和组成(3/5)，4。控制器逻辑结构的三种组织方法(1)常规组合逻辑方法(或随机逻辑方法)；分立元件时代的产物；该方法根据逻辑代数的运算规则和最小化组合电路的原理，由逻辑门电路实现；不规则，可靠性低，成本高。(2)可编程逻辑阵列方法；前者本质相同，但过程不同；它是由大规模集成电路实现的。(3)微程序控制逻辑方法。将编程的思想方法引入控制器的控制逻辑中；各种操作控制信号以编码信息字的形式存储在控制存储器(cm)中；机器指令对应微程序，执行机器指令的过程就是执行微程序的过程。2020

5、年7月27日，第10页，6.1.1中央处理器的功能和组成(4/5)，5。中央处理器的组成(1)指令部件：程序计数器、指令寄存器、指令解码器、程序状态寄存器、地址形成部件等。(2)定时部件定时部件是用于产生每个部件所需的定时控制信号的部件。通常，定时信号由三级定时信号组成，即工作周期、工作节拍和工作时标脉冲。(3)微操作控制电路微操作是指计算机中最基本的操作；微操作控制逻辑用于产生机器所需的所有微操作信号。微操作控制逻辑的功能是将操作码解码器输出的控制电位、定时信号和各种控制条件组合起来，在一定的时间序列内产生并发出一系列微操作控制信号，完成指令指定的所有操作。(4)中断控制逻辑中断控制逻辑用于

6、控制中断处理的硬件逻辑。2020年7月27日，第11页，6.1.1中央处理器的功能和组成(5/5)，2020年7月27日，第12页，6.1.2操作控制器和定时发生器，根据不同的设计方法，操作控制器可分为：时序逻辑型称为硬线控制器，它是通过时序逻辑技术实现的；内存类型称为微程序控制器，由内存逻辑实现。时序逻辑和存储逻辑的结合。前两种方式的结合。主要介绍了微程序控制器。2020年7月27日，第13页，6.2指令执行和定时发生器，6.2.1指令周期6.2.2定时发生器6.2.3中央处理器控制模式，2020年7月27日，第14页，6.2.1指令周期(1/18)，中央处理器每次提取并执行一条指令更简单地

7、说，一个指令周期就是提取并执行一条指令的时间。指令周期通常用CPU周期数来表示，也称为机器周期。一个中央处理器周期时间包含几个时钟周期(通常称为拍脉冲或测试周期，这是最基本的处理操作单位)。事实上，计算机程序执行的过程是一个不断获取、分析和执行指令的过程。2020年7月27日，第15页，6.2.1指令周期(2/18)。首先，基本工作过程主要是指执行指令的过程。计算机执行指令的过程可以分为三个阶段：取指令；分析说明；执行指令。1.获取指令(1) (PC)MAR，读取(2) (PC) 1PC (3)读取MDR(读出MAR指定的地址单元的内容)，并发出MFC(等待MFC) (4)(MDR) IR，指

8、示解码器开始解码操作码字段OC。2020年7月27日，第16页，6.2.1指令周期(3/18)，1。基本工作流程2。分析指令(1) OC:识别和区分不同的指令类别；(2)操作数：获取操作数的方法。例如，假设IR寄存器中的当前指令是加法指令：ADD (R0)，R1，其中R0和R1是通用寄存器，并且内容已经由其他指令提前发送。在分析指令阶段可以得到两个结果：这是一个加法指令；源操作数是寄存器间接寻址模式，操作数在内存中，有效地址是(R0)，结束操作数是寄存器直接寻址，操作数是R1寄存器的内容。2020年7月27日，第17页，6.2.1指令周期(4/18)。1.基本工作流程。例如，如果红外寄存器中的

9、指令是减法指令：SUB D(R0)，(R1)，其中R0和R1是通用寄存器，则内容已由其他指令提前发送。在分析指令阶段可以得到两个结果：这是一个减法指令；源操作数是寄存器索引寻址模式，操作数在内存中，有效地址是(R0) D，结束操作数是通用寄存器间接寻址模式，有效地址是R1寄存器的内容。2020年7月27日，第18页，6.2.1指令周期(5/18)，1。基本工作流程3。执行指令。执行指令中规定的各种操作，实现指令的功能。F(IR，PSW，时序)微操作控制信号序列，例如，ADD (R0)，R1，SUB D(R0)，(R1)如果没有意外事件(如结果溢出)发生，机器从PC机获得下一个指令地址，并开始新

10、指令的控制过程。计算机的基本工作过程可以概括地描述为获取指令、分析指令、执行指令、获取另一条指令以及依次执行指令序列的过程。2020年7月27日，第19页，6.2.1指令周期(6/18)。2.模型机器结构1。框图(1)寄存器：R0R3是一个通用寄存器，S、D和T是用于在中央处理器中临时存储数据的工作寄存器，分别称为源寄存器、结束寄存器和临时寄存器(2)寄存器：x、y、z，其中x和y寄存器也用作ALU的两个输入开关，可通过锁定装置实现。(3)单总线结构：PC机和PSW挂在总线上。2020年7月27日，第20页，6.2.1指令周期(7/18)。2.模型机器结构2。微操作控制信号(1)备注：R1ou

11、t:表示发送R1寄存器信息的微操作控制信号。R0in:表示接收R0寄存器信息的微操作信号。记忆功能完成信号。WMFC:等待MFC信号。读取：读取内存微操作。写：写内存微操作。(2)微操作：在控制器中：(1)伊林；(b) PCin，PCout(c)WMFC；(d)结束：指令工作完成，2020年7月27日，第21页，6.2.1指令周期(8/18)，b .在算术单元：(a)x寄存器接收总线数据控制信号Xin；(b)y寄存器接收总线数据控制信号Yin；(c)z寄存器接收和发送控制信号Zin和zout(d)R0 in 3 in，R0 out 3 out；辛、Sout、丁、杜、丁、图。算术逻辑单元：加法、

12、除法、模数转换器，“与”、“异或”、“1”等。0Y，RY；(h) 0X，RX；记忆：(a)读、写；(b)存储器地址寄存器接收控制信号马林；MDRin，MDRout，2020年7月27日，第22页，6.2.1指令周期(9/18)，3。指令格式：模型机的寻址方式采用通用寄存器寻址方式。以双操作数指令为例，其指令格式如下：操作数地址字段由两部分组成：寄存器编号的含义为：00:r0；01:R1；10:R2；11:R3；2020年7月27日，第23页，6.2.1指令周期(10/18)，4。寻址模式：2020年7月27日，第24页，6.2.1指令周期(11/18)，3。微操作序列(1)“从主存储器中获取”

13、)Zout、MARin、READ(向MAR发送总线地址并发送READ命令)。WMFC(控制器等待存储器发送的操作完成信号MFC。0X，Xin，0Y，ADD，Zin(控制器接收到MFC后，将读取的MDR中的代码发送到寄存器Z.)Zout，R2in(将采集的数据载入R2寄存器。)，2020年7月27日，第25页，6.2.1指令周期(12/18)，(2)微操作序列PCout，0Y，Yin，0X，1，ADD，Zin的“指令计数器PC增量”(将有效地址发送到寄存器z)，Zout，PCin(将寄存器z的内容发送到PC)。)(3)微操作序列PCout，0Y，Yin，马林，read(指令地址发送到主存储器，并

14、发送READ命令。)0X，1，ADD，Zin，WMFC (PC) 1，并等待存储器操作完成的应答信号。MDRout、IRin、Zout、PCin(接收对IR的指令，开始解码，电脑内容已增加。)，2020年7月27日，第26页，6.2.1指令周期(13/18)，(4)双操作数加法指令ADD (R0)，PCout，0Y，尹，马林，read(指令地址发送到主存，READ命令。)0X，1，ADD，Zin，WMFC (PC) 1，并等待存储器操作完成的应答信号。MDRout、IRin、Zout、PCin(接收对IR的指令，开始解码，电脑内容已增加。)R0out，0X，0Y，RY，ADD，Zin(源操作数

15、的间接寻址，将地址发送到Z.)Zout，MARin，READ(取源操作数)WMFC，R1out，0X，RX(等待内存应答，将结束点号发送到x寄存器)MDRout，0Y，Yin，ADD，Zin(将源点号发送到ALU的y端，add) Zout，R1in(将结果发送到R1)结束，2000 6.2.1指令周期(14/18)，(5)双操作数减法指令sub0，D(R1) PCout，0Y，Yin，MARin，READ(指令地址发送到主机) 并等待存储器操作完成回答MDRout、IRin、Zout、PCin(接收到对IR的指令，开始解码，并且PC内容已经增加)。 )R0out，0X，0Y，RY，ADD，Zi

16、n(源操作数的内容被发送到z寄存器。)Zout，Sin(将源操作数发送到s寄存器进行保存。)PCout，0Y，Yin，马林，read(将PC内容发送到主存储器并发送READ命令。)0X，1，ADD，Zin，WMFC (PC) 1，等待内存操作完成答案。)Zout，PCin，MDRout，0Y，Yin(将正式地址d发送到y寄存器，PC递增。)，2020年7月27日，第28页，6.2.1指令周期(15/18)，R1out，0X，RX，ADD，Zin(将R1的内容发送到X寄存器并相加以形成结束操作数的有效地址)，Zout，MARin，READ(取结束操作数)，0X MDRout，0Y，Yin，SUB，Zin(将源点发送到ALU的y端并减去这两个数字)。)Zout、MDRin、WRITE(将两个数字之间的差异发送到内存。)WMFC(等待记忆的回答。)END (end)，2020年7月27日，第29页，6.2.1指令周期(16/18)，(6)微操作序列的一个分支指令PCout，0Y，Yin，MARin，read(指令地址发送到主存储器，READ命令发送。)0X，2，ADD，Zin，WMFC (PC) 2，并等待存储器操作完成的应答信号。MDRout、IRin、Zo