第三章CPU原理.ppt

1、第三章CPU原理,3.1算术逻辑运算部件 3.2运算方法 3.3CPU模型的组成及其数据通路 3.4时序控制方式 3.5指令的执行与组合逻辑控制器 3.6微程序控制器,第三章CPU原理,3.1算术逻辑运算部件,3.1.1加法单元 3.1.2并行加法器与进位链结构 3.1.3ALU举例,3.1.1加法单元,这里是补充内容，主要带大家复习以下内容 （这一部分的内容在计算机电路基础1P137141）也有）,1.异或门 2.半加器 3.全加器,A,+,Y,Y=AB,Y=,Y=A+B,_,A,B,Y,A,B,Y,A,Y,A,Y,A,B,Y,A,B,Y,A,Y,1,A,B,Y,&,A,B,Y,1,或门,与

2、门,非门,(a)常用符号,(b)美、日常用符号,(c)国标符号,异或门,(a)常用符号,(b)美、日常用符号,(c)国标符号,A,B,Y,A,B,Y,A,B,Y,&,与非门,A,B,Y,A,B,Y,A,B,Y,1,或非门,异或非门,A,B,Y,A,B,Y,A,B,Y,=1,A,B,Y,A,B,Y,A,B,Y,=,3.1.1加法单元-半加器的组成,这是有三个基本门组成的异或门,或门,与非门,与门,3.1.1加法单元,异或门的符号,被加数输入,加数输入,输出,异或门,3.1.1加法单元,半加器的组成,A异或B,A与B,3.1.1加法单元,半加器的框图,加法电路,3.1.1加法单元-全加器的组成,全

3、加器的组成,全加器由两个半加器和一个或门组成,A异或B异或C,C,A异或B,A与B,A异或B与C,3.1.1加法单元,全加器的框图,3.1.1加法单元,由上面的全加器的图去理解书上60页的公式就容易多了,3.1.1加法单元,由8个全加器组成的8位加法器（串行进位）,3.1.1加法单元,由8个全加器组成的8位加法器 大家注意的是：加法器无存储功能,3.1.1加法单元,由8个加法器组成的16位加法器（组间串行）,3.1.2并行加法器与进位链结构,1.基本进位公式 在这里，我们要借助数学工具，利用数学技巧分析一下进位公式，从中发现我们无法直接观察出来的特性。这是数学给我们带来的飞跃。 其实只是人为的

4、设立了两个辅助公式。,3.1.2并行加法器与进位链结构,Gi=AiBi Pi = Ai + Bi 分析这两个进位辅助函数，这两个函数的自变量是事先存在的被加数和加数的对应位，所以可以立刻算出来。,3.1.2并行加法器与进位链结构,2.并行加法器的串行进位 3.并行进位（先行进位、同时进位） 从书中61页的两个逻辑表达式来看：这两个表达式是同一个公式的不同变形，通过不同变形而采用两种不同的方法。公式变形是数学技巧，但可以给予人们一些质的变化。,3.1.3ALU举例,1.SN74181外特性 2.SN74181内部结构 3.SN74181功能表 4.用SN74181构成多位的ALU,每位ALU的图

5、例,4位并行进位加法器,3.2运算方法,3.2.1定点加减运算 3.2.2移位 3.2.3浮点加减运算 3.2.4十进制加减运算 3.2.5定点数乘除运算 3.2.6浮点数乘除运算,3.2运算方法,3.2.1定点加减运算 1.原码加减运算 2.补码加减运算 （1）补码加法运算 （2）补码减法运算 （3）补码运算规则 3.溢出判别,3.2运算方法,3.溢出判别 （1）采用一个符号位判断 （2）采用最高有效位的进位判断 （3）采用变形补码,3.2.2移位,1.逻辑移位 2.循环移位 3.算术移位,1.逻辑移位 2.循环移位 3.算术移位,3.2.2移位,3.2.3浮点加减运算,1.运算规则及硬件实

6、现 （1）对阶操作 （2）尾数的加减 （3）结果规格化和判溢出 左规 右规 （4）舍入操作,3.2.4十进制加减运算,1.进制转换 2.直接进行十进制运算 （1）机器码有专门的BCD码加减乘除指令 （2）只有BCD码调整指令 3.BCD码的加法运算,3.2.5定点数乘除运算,1.无符号整数的一位乘法 2.无符号整数的一位除法,无符号整数的一位乘法,2.无符号整数的一位除法,此小节课本的例子出错，以下是补充内容,除 法,3.2.6浮点数乘除运算,浮点乘法运算 （1）阶码相加并判溢出 （2）尾数相乘 （3）规格化处理 2.浮点除法运算 （1）预置 （2）尾数调整 （3）求阶差 （4）尾数相除,3.

7、3CPU模型的组成及其数据通路,3.3.1基本组成 3.3.2数据传送,3.3.1基本组成,1.寄存器 2.运算部件 3.总线与数据通路结构 4.控制器及微命令的基本形式,3.3.1基本组成,1.寄存器 （1）通用寄存器 （2）暂存器 （3）指令寄存器IR （4）程序计数器PC （5）程序状态字寄存器PSW （5）堆栈指针SP （6）与主存接口的寄存器MAR、MDR,第三章,3.3.1基本组成,2.运算部件 ALU及配合完成的一些寄存器,3.3.1基本组成,3.总线与数据通路结构 （1）ALU总线 （2）系统总线,3.3.1基本组成,4.控制器及微命令的基本形式 （1）微命令的基本形式 1.电

8、位型微命令 2.脉冲型微命令 （2）控制器,3.3.2数据传送,1.寄存器之间的数据传送 2.主存数据传送到CPU 3.CPU数据传送到主存 4.执行算术或逻辑操作,3.3.2数据传送,三态门就像一个自来水开关控制着与总线的开合，开关的电信号来自于控制器,3.3.2数据传送,三态门就像一个自来水开关控制着与总线的开合，开关的电信号来自于控制器,3.3.2数据传送,送往微操作信号发生器,来自指令译码器,送往微操作信号发生器,3.4时序控制方式,3.4.1指令的执行过程 3.4.2时序控制方式,3.4.1指令的执行过程,1.指令的分段执行过程 （1）取指令 （2）分析指令 （3）执行指令 2.指令

9、之间的衔接方式,取操作数 执行操作 形成下条指令地址,3.4.2时序控制方式,1.同步控制方式 2.同步控制方式的多级时序系统 （1）多级时序的概念 （2）多级时序信号之间的关系 （3）时序系统的组成,机器周期 时钟周期（节拍） 时钟脉冲信号,3.4.2时序控制方式,多极时序概念的本质就是： 让来自同一时间标准的电信号有着不同时间间隔的记时单位。也就是说，不上秒针分针时针出现在一个钟表中，而是有三个钟，一个钟只有秒针，一个钟只有分针，一个钟只有时针。 而在电子计算机中，用寄存器来实现超过clock信号间隔的记时电信号,3.5.2模型机的时序系统补充内容,最基本记忆元件RS触发器,RS触发器是最

10、基础的触发器，别的触发器都是在RS触发器的基础上发展而来的,3.5.2模型机的时序系统,最基本记忆元件RS触发器的符号,3.5.2模型机的时序系统,在RS触发器基础之上建立的D触发器,D触发器也是在RS触发器的基础上建立的,3.5.2模型机的时序系统,在RS触发器基础之上建立的D触发器,加上RC微分电路而使可边缘触发的D触发器也是在RS触发器的基础上建立的,3.5.2模型机的时序系统,利用D触发器组成的环形计数器,环形计数器的特点就是除了一位触发器为1，其余全是0,3.5.2模型机的时序系统,利用D触发器组成的环形计数器,环形计数器的特点就是除了一位触发器为1，其余全是0，1的信号从右到左，依

11、次蹦跳,环形计数器的信号输出,环形计数器的特点就是除了一位触发器为1，其余全是0，1的信号从右到左，依次蹦跳,3.5.2模型机的时序系统,计数器的基本组成JK触发器,JK触发器也是在RS触发器的基础上建立的,3.5.2模型机的时序系统,计数器的基本组成JK触发器的真值表,JK触发器也是在RS触发器的基础上建立的,3.5.2模型机的时序系统,利用JK触发器组成的计数器,JK触发器也是在RS触发器的基础上建立的,3.4.2时序控制方式,3.5指令的执行与组合逻辑控制器,3.5.1模型机的指令系统 3.5.2模型机的时序系统 3.5.3指令流程 3.5.4微命令的综合与产生 3.5.5小结,3.5.

12、1模型机的指令系统,1.指令格式（见图示） 2.寻址方式（见表格） 3.操作类型,3.5.1模型机的指令系统,1.指令格式,3.5.1模型机的指令系统,2.寻址方式,3.5.1模型机的指令系统,3.操作类型 （1）传送类指令 （2）双操作数算逻指令 （3）单操作数算逻指令 （4）程序控制类指令 转移指令JMP 返回指令RST 转子程序指令JSR,3.5.2模型机的时序系统,3.程序控制类,3.5.2模型机的时序系统,1.工作周期划分 2.节拍 3.工作脉冲,1.工作周期划分,1.工作周期划分 （1）取指周期FT(Fetch) （2）源周期ST(Source) （3）目的周期DT(Destina

13、tion) （4）执行周期(ET)(Execute) （5）中断响应周期(IT)(Interupt) （6）DMA传送周期DMAT(Direct Memory Access) 2.节拍（时钟周期） 3.工作脉冲,3.5.3指令流程,1.取指周期FT （1）进入FT的条件 初始化置入FT 程序运行过程中，同步打入FT （2）取指流程 （3）微操作时间表,3.5.3指令流程,取指周期微操作时间表,3.5.3指令流程,2.从MOV指令看寻址操作的流程 （1）FT （2）ST （3）DT（MOV操作只要指出目的操作数的地址即可，不需要对目的地址的内容进行访问）,3.5.3指令流程,3.双操作数指令 4.单操作数指令 5.转移指令JMP/返回指令RST 6.转子程序指令JSR 7.中断响应周期IT 8.DMA周期 9.键盘操作,3.双操作数指令,4.单