第6章中央處理器.ppt

2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 1 第6章中央處理器 本章要點(diǎn) 控制器的組成指令周期微程序控制器硬布線控制器流水線技術(shù) 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 2 6 1CPU的功能和構(gòu)成6 1 1CPU的功能中央處理器 CPU 的基本功能就是執(zhí)行指令 每種類型的CPU都有一組它能夠執(zhí)行的基本動(dòng)作 例如完成兩個(gè)整數(shù)的加 減 乘 除 判斷兩個(gè)數(shù)的大小 相等或不相等 把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方等等 一種CPU能夠完成的基本動(dòng)作通常有幾十種到幾百種 每個(gè)基本動(dòng)作對(duì)應(yīng)一條指令 指令的全體構(gòu)成CPU 或計(jì)算機(jī) 的指令集合 不同CPU的指令集合可能不同 執(zhí)行指令的過程一般分為兩個(gè)階段 取指令過程和執(zhí)行指令過程 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 3 CPU中的寄存器可分為通用寄存器和專用寄存器兩大類 通用寄存器專用寄存器專用寄存器是專門用來完成某一種特殊功能的寄存器 CPU中至少要有5個(gè)專用的寄存器 它們是 程序計(jì)數(shù)器 PC 指令寄存器 IR 存儲(chǔ)器地址寄存器 MAR 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器 MDR 狀態(tài)標(biāo)志寄存器 PSWR 6 1 2CPU的主要寄存器 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 4 1 程序計(jì)數(shù)器 PC 程序計(jì)數(shù)器又稱指令計(jì)數(shù)器 用來存放正在執(zhí)行的指令地址或接著要執(zhí)行的下條指令地址 對(duì)于順序執(zhí)行的情況 PC的內(nèi)容應(yīng)不斷地增量 加 1 以控制指令的順序執(zhí)行 這種加 1 的功能 有些機(jī)器是程序計(jì)數(shù)器本身具有的 也有些機(jī)器是借助運(yùn)算器來實(shí)現(xiàn)的 2 指令寄存器 IR 指令寄存器用來存放從存儲(chǔ)和順中取出的指令 當(dāng)指令從主存取出暫存于指令寄存器之后 在執(zhí)行指令的過程中 指令寄存器的內(nèi)容不允許發(fā)生變化 以保證實(shí)現(xiàn)指令的全部功能 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 5 3 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器 MDR 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器用來暫時(shí)存放由主存儲(chǔ)器讀出的一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字 反之 當(dāng)向主存存入一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí) 也暫時(shí)將它們存放在存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器中 4 存儲(chǔ)器地址寄存器 MAR 存儲(chǔ)器地址寄存器用來保存當(dāng)前CPU所訪問的主存單元的地址 由于主存和CPU之間存在著操作速度上的差別 所以必須使用地址寄存器來保持地址信息 直到主存的讀寫操作完成為止 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 6 5 狀態(tài)標(biāo)志寄存器 PSWR 主要包括兩部分內(nèi)容 一是狀態(tài)標(biāo)志 如進(jìn)位標(biāo)志 C 結(jié)果為零標(biāo)志 Z 大多數(shù)指令的執(zhí)行將會(huì)影響到這些標(biāo)志位 二是控制標(biāo)志 如中斷標(biāo)志 陷阱標(biāo)志等 例如 8086微處理器的狀態(tài)標(biāo)志寄存器有16位 如圖6 1所示 一共包括9個(gè)標(biāo)志位 其中6個(gè)為狀態(tài)標(biāo)志 3個(gè)為控制標(biāo)志 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 7 6個(gè)狀態(tài)標(biāo)志為 進(jìn)位標(biāo)志位 CF 表示本次操作是否向高位有進(jìn)位 借位 通常用于無符號(hào)數(shù) 輔助進(jìn)位標(biāo)志位 AF 表示第3號(hào)位是否向第4號(hào)位有進(jìn)位 借位 溢出標(biāo)志位 OF 表示本次運(yùn)算結(jié)果是否溢出 通常用于帶符號(hào)數(shù) 零標(biāo)志位 ZF 表示本次運(yùn)算結(jié)果是否為零 符號(hào)標(biāo)志位 SF 表示本次運(yùn)算結(jié)果的符號(hào) 正負(fù) 校驗(yàn)標(biāo)志位 PF 表示數(shù)據(jù)校驗(yàn)位是0或1 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 8 3個(gè)控制標(biāo)志為 方向標(biāo)志 DF 表示串操作指令中字符串操作的方向 中斷允許標(biāo)志位 IF 表示CPU是否能夠響應(yīng)外部的可屏蔽中斷請(qǐng)求 陷阱標(biāo)志位 TF 為了方便程序的調(diào)試 使處理器的執(zhí)行進(jìn)入單步方式而設(shè)置的控制標(biāo)志位 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 9 6 1 3CPU的組成CPU由運(yùn)算器和控制器兩大部分組成 圖6 2給出了CPU的模型 圖6 2CUP模型圖 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 10 在圖6 2中 ID表示指令譯碼器 CU表示控制單元 其作用將在稍后介紹 控制器的主要功能有 1 從主存中取出一條指令 并指出下一條指令在主存中的位置 2 對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試 產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào) 以便啟動(dòng)規(guī)定的動(dòng)作 3 指揮并控制CPU 主存和輸入輸出設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向 運(yùn)算器的主要功能有 1 執(zhí)行所有的算術(shù)運(yùn)算 2 執(zhí)行所有的邏輯運(yùn)算 并進(jìn)行邏輯測(cè)試 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 11 6 1 4CPU的主要技術(shù)參數(shù)CPU的主要技術(shù)參數(shù) 1 字長(zhǎng)2 內(nèi)部工作頻率3 外部工作頻率4 片內(nèi)Cache的容量和速率5 工作電壓6 地址總線寬度7 數(shù)據(jù)總線寬度8 制造工藝 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 12 思考 結(jié)合應(yīng)用實(shí)際 請(qǐng)?jiān)敿?xì)分析目前市場(chǎng)上銷售的主流CPU的制造工藝和技術(shù)指標(biāo) 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 13 6 2 1控制器的功能1 指令的流向控制2 指令的控制執(zhí)行 1 指令的流出控制根據(jù)程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容作為指令地址 并向存儲(chǔ)器發(fā)讀命令 取出現(xiàn)行指令 然后存放到控制器中的指令寄存器IR中 2 指令分析與執(zhí)行的控制 6 2控制器的組成 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 14 它主要由以下幾部分組成 1 指令部件 1 程序計(jì)數(shù)器 PC 2 指令寄存器 IR 3 指令譯碼器 ID 4 程序狀態(tài)寄存器 PSWR 5 地址形成部件 6 2 2控制器的組成 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 15 2 時(shí)序部件時(shí)序部件包括 1 脈沖源 2 啟?？刂七壿?3 節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器3 控制信號(hào)形成部件4 中斷控制邏輯 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 16 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 17 6 2 3控制器的實(shí)現(xiàn)方式1 微程序?qū)崿F(xiàn)方式2 組合邏輯實(shí)現(xiàn)方式3 組合邏輯和存儲(chǔ)邏輯結(jié)合實(shí)現(xiàn)方式 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 18 思考 詳細(xì)比較微程序控制器和組合邏輯控制器的優(yōu)缺點(diǎn) 請(qǐng)查閱資料分析我們目前使用的微處理器中那些采用的是微程序控制方式 那些采用的是組合邏輯控制方式 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 19 6 3指令周期 6 3 1指令周期的基本概念計(jì)算機(jī)之所以能自動(dòng)地工作 是因?yàn)镃PU能從存放程序的內(nèi)存里取出一條指令并執(zhí)行這條指令 并且能夠連續(xù)地取指令 執(zhí)行指令 如此周而復(fù)始 構(gòu)成了一個(gè)封閉的循環(huán) 這個(gè)循環(huán)將一直繼續(xù)下去 直到遇到停機(jī)指令才能停止 如圖6 6所示 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 20 1 指令周期2 機(jī)器周期3 時(shí)鐘周期 節(jié)拍 一個(gè)指令周期由若干個(gè)機(jī)器周期組成 所有指令的第一個(gè)CPU周期一定是取指周期 每個(gè)機(jī)器周期又由若干個(gè)時(shí)鐘周期組成 根據(jù)指令動(dòng)作的復(fù)雜程度不同 有的指令周期包含的CPU周期較多 有的則較少 它們之間的關(guān)系如圖6 7所示 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 21 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 22 6 3 2非訪存 CLA 指令周期程序的第一條指令 CLA 是一條非訪存指令 執(zhí)行非訪存指令需要兩個(gè)CPU周期 其中取指令階段一個(gè)CPU周期 執(zhí)行指令階段一個(gè)CPU周期 其指令周期如圖6 8所示 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 23 在第一個(gè)CPU周期 即取指令階段 CPU完成三件事 1 從內(nèi)存取出指令 2 程序計(jì)數(shù)器PC加1 以便為取下一條指令做好準(zhǔn)備 3 對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼或測(cè)試 以確定進(jìn)行什么操作 在第二個(gè)CPU周期 即執(zhí)行指令階段 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 24 1 取指令階段第一條指令的取指階段如圖6 9所示 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 25 2 執(zhí)行指令階段CLA指令的執(zhí)行階段如圖6 10所示 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 26 在此階段 CPU的動(dòng)作如下 1 操作控制器送CLA相應(yīng)的控制信號(hào)給算術(shù)邏輯單元ALU 2 ALU響應(yīng)該信號(hào) 將累加寄存器AC內(nèi)容全部清零 從而執(zhí)行了CLA指令 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 27 6 3 3訪存 ADD 指令周期程序的第二條指令是 ADD40 指令 這是一條直接訪問內(nèi)存的指令 執(zhí)行這條指令需完成三個(gè)CPU周期 如圖6 11所示 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 28 1 送操作數(shù)的地址第二個(gè)CPU周期主要完成送操作數(shù)地址 其數(shù)據(jù)通路如下圖所示 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 29 2 兩操作數(shù)相加 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 30 6 3 3控制指令 JMP 周期JMP指令的指令周期僅由兩個(gè)CPU周期組成 如下圖所示 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 31 第一個(gè)CPU周期仍然是取指令階段 第二個(gè)CPU周期為執(zhí)行階段 下圖給出了JMP指令執(zhí)行階段的數(shù)據(jù)通路 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 32 6 4 1微程序控制器的基本概念微程序控制器的基本思想概括起來說有如下兩點(diǎn) 1 將控制器所需的微命令以代碼形式編成微指令 存入一個(gè)用ROM構(gòu)成的控制存儲(chǔ)器 CM 中 在CPU執(zhí)行程序時(shí) 從控制存儲(chǔ)器中取出微指令 其中包含了微命令控制的有關(guān)操作 與組合邏輯控制方式不同 它由存儲(chǔ)邏輯事先存儲(chǔ)與提供微命令 這一思想的關(guān)鍵就是將存儲(chǔ)邏輯引入了CPU 6 4微程序控制器 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 33 2 將各種機(jī)器指令的操作分解成若干個(gè)微操作序列 每條微指令包含的微命令控制實(shí)現(xiàn)一步操作 若干條微指令組成一小段微程序 解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令 針對(duì)整個(gè)指令系統(tǒng)的需要 編制出一套完整的微程序 事先存入控制存儲(chǔ)器中 這一思想是利用程序技術(shù)去編排指令的解釋與執(zhí)行 也就是將程序技術(shù)引入CPU的構(gòu)成級(jí) 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 34 微程序控制器中要用到的一些基本概念 1 微命令 構(gòu)成控制信號(hào)序列的最小單位稱為微命令 又稱微信號(hào) 通常是指那些直接作用于部件或控制門電路的命令 例如打開或關(guān)閉某傳送通路的電位命令 或是對(duì)觸發(fā)器或寄存器進(jìn)行同步打入 置位 復(fù)位的控制脈沖 2 微操作 由微命令控制實(shí)現(xiàn)的最基本的操作稱為微操作 如開門 關(guān)門 選擇 打入等 機(jī)器指令操作碼所表示的往往是一種相對(duì)大一些的操作 宏觀一些 如加法運(yùn)算 它的實(shí)現(xiàn)要依靠建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路 如打開一些門 發(fā)出相應(yīng)的打入脈沖等 即分割為一些更基本的微操作 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 35 3 微周期 從控制存儲(chǔ)器讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的一步操作所需的時(shí)間稱為微周期或微指令周期 通常一個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)微周期 4 微指令 從展開的角度來講 每個(gè)微周期的操作所需的微命令 全部或大部分 組成一條微指令 從控制存儲(chǔ)器的組織角度講 每個(gè)單元存放一條微指令 圖6 16所示為微指令格式的例子 圖6 16 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 36 5 微程序 一系列微指令的有序集合稱為微程序 用來解釋執(zhí)行機(jī)器指令 因此 一段微程序?qū)?yīng)一條機(jī)器指令 6 控制存儲(chǔ)器 存放微程序的只讀存儲(chǔ)器稱為微指令存儲(chǔ)器 由于它主要存放控制命令 信號(hào) 和下一條要執(zhí)行的微指令地址 因此又稱控制存儲(chǔ)器 計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)是固定的 實(shí)現(xiàn)這個(gè)指令系統(tǒng)的微程序也是固定的 所以控制存儲(chǔ)器采用只讀存儲(chǔ)器 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 37 6 4 2微程序控制器的組成1 程序控制器的組成微程序控制器的邏輯組成框圖如圖6 17所示 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 38 微程序控制器的核心部件 1 控制存儲(chǔ)器CM 2 微指令寄存器 IR 3 微地址形成電路 4 微地址寄存器 AR 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 39 2 機(jī)器指令的讀取與執(zhí)行在微程序控制器中 通過讀取微程序與執(zhí)行它所包含的微命令去解釋執(zhí)行機(jī)器指令 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 40 6 4 3微程序控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)1 微指令編碼 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 41 微指令編碼方式由多種 在這里主要介紹常用的三種 1 直接表示法 2 編碼表示法 3 混合表示法 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 42 2 微地址的形成方法產(chǎn)生后繼微指令地址可有以下三種方式 1 計(jì)數(shù)器方式 2 斷定方式 3 增量方式與斷定方式結(jié)合 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 43 6 4 4微指令格式微指令格式大體上可分成兩類 一是水平型微指令 二是垂直型微指令 1 水平型微指令水平型微指令的特點(diǎn)是在一條微指令中定義并執(zhí)行多個(gè)并行微操作命令 在實(shí)際應(yīng)用中 直接表示法和編碼表示法經(jīng)常應(yīng)用在同一條水平型微指令中 從速度來看 直接表示法最快 字段編譯法要經(jīng)過譯碼 所以會(huì)增加一些延遲時(shí)間 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 44 2 垂直微指令在微指令中設(shè)置有微操作碼字段 采用微操作碼編譯法 由微操作碼規(guī)定微指令的功能 成為垂直型的微指令 其特點(diǎn)是不強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)微指令的并行控制功能 通常一條微指令只要求就能控制實(shí)現(xiàn)一二種微操作 1 寄存器 寄存器傳送型微指令微指令格式 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 45 2 運(yùn)算控制型微指令微指令格式 3 移位控制型微指令微指令格式 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 46 4 訪問主存微指令微指令格式 5 無條件轉(zhuǎn)移微指令微指令格式 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 47 6 條件轉(zhuǎn)移微指令微指令格式 7 其它還有110和111兩種操作碼 可以用來定義輸入 輸出微操作或其它難以歸類的雜操作 第3 15位可以根據(jù)需要定義各種相應(yīng)的微命令字段 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 48 3 水平型微指令與垂直微指令的比較 1 水平型微指令并行操作能力強(qiáng) 效率高 靈活性強(qiáng) 垂直型微指令則差 2 水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短 垂直型微指令執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng) 3 由水平型微指令解釋指令的微程序 具有微指令字比較長(zhǎng) 但微程序短的特點(diǎn) 垂直型微指令則相反 微指令字比較短而微程序長(zhǎng) 4 水平型微指令用戶難以掌握 而垂直型微指令與指令格式比較相似 相對(duì)來說 比較容易掌握 水平型微指令與機(jī)器指令差別很大 一般需要對(duì)機(jī)器的結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)通路 時(shí)序系統(tǒng)以及微命令很精通才能設(shè)計(jì) 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 49 6 5組合邏輯的控制器 6 5 1組合邏輯控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖6 19所示為組合邏輯控制器的結(jié)構(gòu)框圖 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 50 6 5 2組合邏輯控制器的設(shè)計(jì)原理組合邏輯控制器是根據(jù)指令功能要實(shí)現(xiàn)的微操作序列設(shè)計(jì)的 它的設(shè)計(jì)過程可歸納為 首先給定指令系統(tǒng)中每條指令功能實(shí)現(xiàn)的流程圖 繼而細(xì)化它 得到各指令的微操作序列 即各操作控制命令應(yīng)該在什么時(shí)間執(zhí)行 然后對(duì)各操作控制命令進(jìn)行邏輯綜合得到邏輯表達(dá)式 最后用邏輯門電路或可編程邏輯陣列實(shí)現(xiàn)操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式功能 邏輯綜合的含義是 某一控制命令在哪些指令中被使用 在一條指令中使用了幾次 在指令周期中的什么時(shí)間使用 將這些歸并在一起就形成該控制命令的邏輯表達(dá)式 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 51 6 5 3組合邏輯控制器和微程序控制器的比較組合邏輯控制和微程序控制之間的最顯著差異可歸結(jié)為兩點(diǎn) 1 實(shí)現(xiàn)2 性能 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 52 6 6 1基本概念一條指令的執(zhí)行過程大體上可分為去指令和執(zhí)行指令兩個(gè)階段 假定Fi和Ei分別表示指令I(lǐng)i的取指令和執(zhí)行指令周期 圖6 20 a 顯示的是按取指令 執(zhí)行指令的順序執(zhí)行程序的過程 現(xiàn)在將處理器的指令部件分成兩個(gè)獨(dú)立的硬件單元 一個(gè)用來取指令 另一個(gè)用來執(zhí)行指令 如圖6 20 b 所示 取指令單元將從存儲(chǔ)器取回的指令存放在一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)緩沖器B1中直到該指令被執(zhí)行完成 執(zhí)行單元將結(jié)果存放在指令指明的目的地 為簡(jiǎn)單起見 假定取指令周期和執(zhí)行指令周期都在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成 圖6 20 c 顯示了流水線技術(shù)的指令執(zhí)行過程 6 6流水線技術(shù) 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 53 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 54 將處理指令的過程進(jìn)一步細(xì)化 就可以形成更多段的流水線 例如 一條五段指令流水線可由如下5個(gè)部件組成 S1 取指令 IF 由Cache或主存取指令 S2 指令譯碼 ID 生成指令將要完成的操作 S3 取操作數(shù) OF 確定操作數(shù)地址 讀取存儲(chǔ)器操作數(shù)或寄存器操作數(shù) S4 執(zhí)行 EX 對(duì)操作數(shù)完成指定操作 S5 寫回 WB 修改目標(biāo)操作數(shù) 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 55 圖6 21一個(gè)五段指令流水線 2007 7 2 計(jì)算機(jī)組成原理 56 任何流水線上的某一段不能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成 通常就叫做流水線停頓 一旦流水線停段 性能就會(huì)降低 因此流水線處理器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)就是通過某些措施來有效地避免或減小這種停頓的影響 常用的技術(shù)主要有指令預(yù)取 指令隊(duì)列 指令緩沖 和快速Cache等 1 Cache的作用為避免流水線停頓 時(shí)鐘周期的長(zhǎng)度應(yīng)足以保證任何段都能夠完成任務(wù) 如果不同的功能部件需要不同的執(zhí)行時(shí)間