組成原理課程第六章(2013版)

第六章中央處理器1本章知識點6.1CPU的功能和基本結構

CPU的基本功能和常見的CPU基本結構6.2指令執(zhí)行的過程

1)數(shù)據(jù)通路的概念及組成

2)指令周期流程圖6.3時序與控制器6.4微程序控制器的工作原理

1)微程序控制的基本概念

2)微程序控制器的組成原理

3)微指令的編碼方法

4)微程序設計舉例6.5硬布線控制器的工作原理

1)硬布線控制器的模型

2)硬布線控制器的基本原理與設計方法26.1CPU的功能和基本結構(1)指令執(zhí)行順序的控制：控制程序中的指令按事先規(guī)定的順序自動地執(zhí)行。(2)指令的操作控制：

產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的信號，以控制執(zhí)行部件按指令規(guī)定的操作運行。(3)時間控制：對各控制信號進行定時，以便按規(guī)定的時間順序啟動各操作。(4)異常和中斷處理：

處理運算中的異常及處理外部設備的中斷服務請求等。(5)數(shù)據(jù)加工處理：對數(shù)據(jù)進行算術、邏輯運算，或將數(shù)據(jù)在相關部件之間傳送。1.CPU的基本功能32.CPU的基本結構451)控制器中各主要功能部件的作用:程序計數(shù)器PC?給出并指示下一條指令的地址?完成順序控制的功能?內容在取指完成后即可改變?轉移指令直接修改PC值?保存當前正執(zhí)行的指令?指令的操作碼字段和尋址方式送譯碼2)控制器中各主要功能部件的作用:指令寄存器IR7?對指令的OP字段和尋址方式譯碼，指出指令的操作方式?譯碼的結果是找到與該指令相關的微程序的入口3)控制器中各主要功能部件的作用:指令譯碼器ID8?產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號?實現(xiàn)指令的操作控制功能4)控制器中各主要功能部件的作用:操作控制器OC9

5)控制器中各主要功能部件的作用:時序產(chǎn)生器?對操作控制信號進行同步?實現(xiàn)控制器的時間控制功能6)控制器中各主要功能部件的作用:數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR?保存與主存之間交換的數(shù)據(jù)117)控制器中各主要功能部件的作用:地址寄存器AR?存放CPU將要訪問的主存單元地址126.2指令執(zhí)行的過程1.數(shù)據(jù)通路的概念及組成數(shù)據(jù)通路:數(shù)據(jù)在功能部件之間傳送的路徑；數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)通路中的傳送操作是在控制信號的控制下進行的；數(shù)據(jù)通路的建立可用總線或專用通路兩種方法來構建；不同功能的指令及同一指令在執(zhí)行的不同階段的數(shù)據(jù)通路可不同；數(shù)據(jù)通路的結構直接影響CPU內各種信息的傳送路徑、指令執(zhí)行流程、所需要的微操作控制信號及其時序安排和控制器的設計；132.指令周期流程1)程序控制的過程，本質上是由控制器根據(jù)程序所包含的指令序列，逐條執(zhí)行指令的過程。

2)指令周期一條指令從取出到執(zhí)行完成所需時間3)指令周期劃分(1)取指令周期:

根據(jù)PC的值取去主存儲取指令；如何形成后續(xù)指令地址。

(a)順序執(zhí)行指令時，將PC內容加當前指令所占用的主存單元數(shù)

(b)當出現(xiàn)轉移時，根據(jù)尋址方式、轉移條件、轉移的目標地址等內容計算得到。

14(2)譯碼/取操作數(shù)周期對指令寄存器中的操作碼字段進行譯碼并識別指令類型根據(jù)指令地址碼和尋址方式，從寄存器或存儲器中讀取操作數(shù)。不同的尋址方式可能具有不同的取操作數(shù)周期。算術運算類指令大都要求雙操作數(shù)，因此，取操作數(shù)流程要經(jīng)歷兩次，第一次取源操作數(shù)，操作流程由源尋址方式字段確定，第二次取目的操作數(shù)，操作流程由目的尋址字段確定。15(3)執(zhí)行周期控制器向算術邏輯運算單元及數(shù)據(jù)通路中的其它相關部件發(fā)送操作控制命令，完成由指令操作碼規(guī)定的動作，包括傳送結果及記錄狀態(tài)信息。操作結果送到哪里由尋址方式確定；狀態(tài)信息(如溢出)記錄在PSW中;對轉移指令還需在執(zhí)行周期內計算機移地址。(4)寫回將運算結果寫到結果寄存器或存儲器。寫回存儲器時間較長,一般需要多個時鐘周期。163.寄存器級傳送語言RTL(RegisterTransferLanguage)為統(tǒng)一表示指令執(zhí)行流程，采用寄存器描述語言表示指令執(zhí)行過程中的操作，使用RTL的規(guī)則如下：1)用()表示讀取寄存器或主存地址的內容，如（PC）表示讀取PC寄存器中的內容；2)用[]表示主存單元地址或寄存器堆中寄存器的編號，則：M[6]表示主存6號單元，(M[6])表示讀取主存6號單元的數(shù)據(jù)；R[6]表示寄存器堆中6號寄存器，(R[6])表示讀取寄存器堆中6號寄存器的數(shù)據(jù)；M[(R[6])]表示寄存器堆中6寄存器內容所指主存單元;(M[(R[6])])表示讀取寄存器堆中6寄存器內容所指主存單元的內容。為簡化對主存單元的表示和訪問，將它們分別簡化成M[R[6]]和（M[R[6]]）。3)用“AB”表示數(shù)據(jù)傳送，其中B為數(shù)據(jù)源，A為目的端；174.指令操作流程:基于單總線結構的處理器

18根據(jù)指令周期的概念，任何指令第一個CPU周期都是取指周期，取指周期中CPU要完成以下三件事：(1)根據(jù)PC的內容取出指令并送指令寄存器IR中保存(本書假定程序首地址已存放在PC中)；(2)修改PC的值；（這里假定計算機字長8位，采用單字長指令，主存按字節(jié)編址）；(3)對指令的操作碼進行譯碼或測試，以確定指令在執(zhí)行階段將要具體進行何種操作。19(1)

LOAD指令周期流程R[0](M[6]):將主存6號單元內容送R0,RS型指令取指階段的操作MAR(PC)X(PC)ZALUPC(Z)MDR(M[MAR])IR(MDR)各操作對應的控制信號PCout=ARin=1Xin=1+1Zout=PCin=1Read=DREin=1DRIout=IRin=1(a)取指CPU周期用到兩條數(shù)據(jù)通路：PC→MAR→MEM→MDR→IR

PC→X→ALU→Z→PC(b)執(zhí)行階段用到的數(shù)據(jù)通路：IRA→MAR→MEM→MDR→R020(1)

LOAD指令周期流程R[0](M[6]):將主存6號單元內容送R0,RS型指令執(zhí)行階段用到的數(shù)據(jù)通路：IRA→MAR→MEM→MDR→R0執(zhí)行階段的操作

MAR(IRA)MDR(M[MAR])R[0](MDR)各操作對應的控制信號IRout=ARin=1Read=DREin=1

DRIout=R0in=1

21(2)MOVE

指令周期流程R[1](IRA)：將來自于IR形式地址字段的立即數(shù)10送R1，RR型指令執(zhí)行階段的操作R[1](IRA)

對應的控制信號IRout=R1in=1

執(zhí)行CPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：IR→R1指令中的立即數(shù)送R1。22(3)ADD

指令周期流程R[0](R[0])+(R[1]):將R0和R1相加，結果送R0，RR型指令

執(zhí)行階段的操作X(R[0])ZALUR[0](Z)

對應的控制信號R0out=Xin=1R1out=1=

ADD=1Zout=R0in=1

執(zhí)行CPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：R0→X→ALU；R1→ALU

加數(shù)和被加數(shù)送ALU輸入端ALU→Z→R0

運算結果經(jīng)Z寫回寄存器R0。23(4)STORE

指令周期流程M[R[2]](R[0]):將R0內容送R2內容所指主存單元保存

，RS型指令

執(zhí)行階段的操作MAR(R[2])MDR(R[0])M[R[2]](MDR)

對應的控制信號R2out=ARin=1

R0out=DRIin=1DREout=Write=1

執(zhí)行CPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：R2→MAR傳送地址；R0→MDR→MEM往主存存數(shù)據(jù)。指令的執(zhí)行需要兩個CPU周期，執(zhí)行階段的第一個CPU送地址，即將寄存器R2的內容MAR；執(zhí)行階段第二個CPU周期內將R0的值送MDR，然后存入MAR指向的內存單元24(5)JMP

指令周期流程PC(IRA):將1000送入PC，實現(xiàn)無條件轉移

執(zhí)行階段的操作

PC(IRA)對應的控制信號IRout=PCin=1

執(zhí)行CPU周期用到的數(shù)據(jù)通路：

IRA→PC256.3時序與控制器1.中央處理器的時序

過去的計算機采用主狀態(tài)周期、節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖三級時序體制來對操作控制信號進行定時控制.

主狀態(tài)周期:一般對應指令的執(zhí)行時間節(jié)拍電位:對應指令執(zhí)行的不同周期,如取指周期,以主存的工作周期為基礎節(jié)拍脈沖:完成一次微操作所需要的時間

262.啟?？刂齐娐?/p>

啟?？刂七壿嫷淖饔檬潜ＷC節(jié)拍和脈沖信號的完整性。即啟動從第一個CPU周期的第一個節(jié)拍脈沖前沿開始工作，停機在一個CPU周期的最后一個節(jié)拍脈沖的下降沿結束。只有這樣才能保證時序信號脈沖的完整性和指令功能的完整性。

276.4微程序控制器的工作原理1.微程序控制的基本概念

?微程序設計技術是利用軟件方法來設計硬件的技術?微程序控制的基本思想仿照程序設計的方法，把完成每條指令所需要的操作控制信號編寫成微指令，存放到一個只讀存儲器(控存)中。每條機器指令對應一段微程序，當機器執(zhí)行程序時依次讀出每條指令所對應的微指令,執(zhí)行每條微指令中規(guī)定的微操作,從而完成指令的功能,重復這一過程,直到該程序的所有指令完成.

微程序控制器的設計采用了存儲技術和程序設計技術，使復雜的控制邏輯得到簡化，從而推動了微程序控制器的廣泛應用.28程序微指令微程序291)微命令和微操作?控制部件與執(zhí)行部件之間的聯(lián)系控制部件執(zhí)行部件控制線反饋線?微命令控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制信號(打開和關閉控制門)?微操作執(zhí)行部件接受微命令后所進行的操作?反饋線的作用向控制部件反饋執(zhí)行的狀態(tài)信息，以便控制部件進行狀態(tài)測試302)微操作的分類微操作是計算機中最基本的操作，由于數(shù)據(jù)通路、邏輯功能的關系，微操作可以分為相容性的和相斥性的微操作：?相容性的微操作能同時并行執(zhí)行的微操作?相斥性的微操作不能同時并行執(zhí)行的微操作31圖中相斥性的微操作有：(+、–

、M)(4、6、8)(5、7、9)圖中相容性的微操作有：1、2、3(4、6、8)與(5、7、9)兩組中各取一個任意組合321)控制存儲器：存放用來實現(xiàn)全部指令的所有微程序，是一種只讀存儲器，微程序固化在其中，其容量取決于機器指令和每條指令微程序的長度，字長取決于微指令的字長，也與容量有一定關系(!)。要求控制存儲器快速。2.微程序控制器的組成原理

332)微指令寄存器(IR)?存放從控存中讀出的微指令?是圖中的哪部分?3)微地址寄存器(AR)存儲訪問CM的微地址344)微地址產(chǎn)生邏輯用于產(chǎn)生后續(xù)微指令地址。能作為后繼微指令地址的有下列形式：?微程序的入口地址?順序地址?轉移地址353.微指令的的格式與微命令編碼

1)微指令的格式操作控制字段是微指令的主體，由若干微命令位組成?？刂谱侄沃械拿恳晃煌ǔ１硎疽粋€特定的微命令，微指令是否含某個微命令，由該位的狀態(tài)1或0決定。判別測試字段指出微指令執(zhí)行過程中需要測試的外部條件，如進位、運算結果是否為零等；下地址字段給出的地址是下條微指令地址，最終是否按照該地址執(zhí)行下一條微指令與是否進行條件測試及測試條件是否成立等有關。36?微命令編碼就是微指令中的操作控制字段采用的表示方法(1)直接表示法?操作字段的每一位表示一個微命令?優(yōu)點:簡單、直觀，?缺點:微指令字長、不利于減少控存容量2)微指令的格式37(2)編碼表示法?把一組互斥的信號組成一個小組，然后通過小組譯碼器譯碼，譯碼輸出將作為操作控制信號。每次每個小組最多只能有一個有效。譯碼譯碼譯碼譯碼字段1字段2字段3P字段下地址字段微命令?若某小組有4個微命令，則微指令中該字段需要多少位？需要3位，為什么？因為每字段經(jīng)過譯碼后，要有一個狀態(tài)表示不使用本組中的微命令。38?編碼表示法的優(yōu)點:大大縮短微指令字的長度，從而減少控存的容量。?編碼表示法的缺點：增加的譯碼電路降低了微指令的執(zhí)行速度。(3)混合表示法綜合前面的直接表示法和編碼表示法.關于微命令編碼的結論:目前一般使用字段直接表示法.394.微程序設計舉例LOAD指令取指周期的操作及控制信號404.微程序設計舉例MOVE指令取指周期的操作及控制信號414.微程序設計舉例ADD指令取指周期的操作及控制信號424.微程序設計舉例STORE指令取指周期的操作及控制信號434.微程序設計舉例JMP指令取指周期的操作及控制信號444.微程序設計舉例各指令操作系列順序的安排必須保證指令功能的正確實現(xiàn)。如取指令階段MAR(PC)操作一定要在IR(MDR)之前完成，否則取出出錯；同一節(jié)拍內不能同時有兩個或兩個以上的部件向公共總線輸出信息。如取指階段PCout、Zout和DRIout必須被分別安排在不同的節(jié)拍內；上述指令微操作序列實現(xiàn)，重在描述實現(xiàn)方法，并不是優(yōu)化；指令執(zhí)行不同周期所需要的節(jié)拍數(shù)可能不同，上述安排采用了同步控制方法，每個周期都分配了四個節(jié)拍，因此，部分指令有些周期中存在一些空節(jié)拍，沒有任何微操作。455.微命令的同步微程序存放在控存中，每條指令的微程序包含幾條微指令(包括取指令微指令)就表示該指令的執(zhí)行需要幾個CPU周期。微命令自從控存中取出并送入微指令寄存器后就開始生效，直到新的微指令送入微指令寄存器(一個CPU周期的時間)一條微指令的若干個微命令中,

大部分微命令只能在一個CPU周的某個T周期有效，必須對微命令進行時間同步后才能與相應執(zhí)行部件的控制端相連。46微命令同步的基本方法就是列出每個微命令的邏輯表達式，并用相應的邏輯電路實現(xiàn)表達式的功能，電路的輸入來自微指令的相關位和時序信號（包括節(jié)拍電位或節(jié)拍脈沖），對應邏輯電路的輸出才能與相應執(zhí)行部件的控制端相連。下面以Zout為例說明微命令的同步方法。Zout=M取指周期Zout’T2+ADDM執(zhí)行周期Zout’T3。477、微程序在控存中的存放及微程序控制器的工作過程LADR0，（80)ADDR0,(81)JO75STA(R1),R000000000000010101010111010

000000000001001000000110111000

000010010000000000000000000000

001100001011000000000110111000

010000000000001001000000000000

000000000000000000010100000001

000000000000000000000000000000

011100000000000000000000000000

00000000000100100011010001010110011130

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

LDLA

LDR1

＋

LDPC

BUS

↑

IR(A)

WE

P2

下

址

L

↑

R0

LDLB

LDR0

PC＋1

LDIR

RD

LDAR

LDDR

P1

L

↑

R1

L

↑

R2

bus

↑

L

L

↑

bus

bus

↑

BUS

BUS

↑

bus

BUS

↑

ALU

BUS

↑

PC

BUS

↑

DR

DR(D)

↑

BUS

48【問】一會兒取機器指令，一會兒取微指令，它們之間到底是什么關系?【解】1.一條機器指令對應一個微程序，這個微程序是由若干條微指令序列組成的。因此，一條機器指令的功能是由若干條微指令組成的序列來實現(xiàn)的。簡言之，一條機器指令所完成的操作劃分成若干條微指令來完成，由微指令進行解釋和執(zhí)行。2.從指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址的一一對應關系來看，前者與內存儲器有關，后者與控制存儲器有關。與此相關，也有相對應的硬設備，請參見CAI演示。3.我們在講述本章5.2節(jié)時，曾講述了指令與機器周期概念，并歸納了五條典型指令的指令周期,并演示了這五條指令的微程序流程圖，每一個CPU周期就對應一條微指令。這就告訴我們如何設計微程序，也將使我們進一步體驗到機器指令與微指令的關系。

機器指令與微指令的關系494）應用舉例例1如圖所示的為雙總線結構機器的數(shù)據(jù)通路，IR為指令寄存器，PC為程序計數(shù)器(具有自動增加功能)，M為主存(受R/W控制)，AR為地址寄存器，DR為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，ALU由加、減控制信號決定需要完成何種操作，控制信號G控制的是一個門電路，另外，線上標注有控制信號，例如yi表示y寄存器的輸入控制信號，R10表示寄存器R1的輸出控制信號，未標字符的線為直通線，不受控制。(1)ADDR2，R0

指令完成(R0)+(R2)R0

的功能操作，畫出其指令周期流程圖，假設該指令的地址已經(jīng)放入PC，并列出相應的微操作控制信號序列。(2)SUBR1，R3

指令完成(R3)+(R1)R3

的操作，畫出其指令周期流程圖，并列出相應的微操作控制信號序列。50IRPCARMDRR0R1R2R3XYALUIROPCODROR0OR3OIRiPCiARiR/WDRiR0iR3ixiyi+_G51PCARMDRDR

IRR2

YR0

XR0+R2

R0(R0)+(R2)

R0PC0,G,

ARiR/W=RDR0,G,IRiR20,G,YiR00,G,Xi+

,G,R0i526.5硬布線控制器的工作原理

1.硬布線控制器的模型1)組合邏輯控制單元

是控制器的核心，產(chǎn)生指令執(zhí)行所需要的控制信號(包括控制電位與打入脈沖)，可采用組合邏輯電路或可編程陣列邏輯或ROM實現(xiàn).輸入來自:指令碼譯碼器的輸出；條件狀態(tài)寄存器的狀態(tài)標志信息；來自時序電路的節(jié)拍信號，包括節(jié)拍電位信號M1~Mi和節(jié)拍脈沖信號