計(jì)算機(jī)組成原理第五講課件

計(jì)算機(jī)組成原理第五講：CPU基本組成第三章主要內(nèi)容CPU邏輯組成與工作機(jī)制運(yùn)算方法和運(yùn)算器控制器（組合邏輯控制器和微程序控制器）數(shù)據(jù)通路主機(jī)與外部信息交換方式第三章重點(diǎn)運(yùn)算方法和運(yùn)算器控制器時(shí)序系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)第三章難點(diǎn)進(jìn)位鏈時(shí)序系統(tǒng)控制器本講主要內(nèi)容CPU基本組成運(yùn)算部件寄存器組微命令產(chǎn)生部件時(shí)序系統(tǒng)CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)時(shí)序控制方式控制器分類(lèi)CPU的功能指令控制：控制指令執(zhí)行順序，逐條執(zhí)行或跳轉(zhuǎn)執(zhí)行操作控制：解釋并控制指令的運(yùn)行時(shí)間控制：產(chǎn)生操作時(shí)序，按時(shí)間順序啟動(dòng)各類(lèi)操作數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理需要解決的問(wèn)題CPU由哪些部件組成各部件之間如何交換信息CPU如何建立與外部的連接CPU如何形成控制命令序列，控制指令的執(zhí)行CPU的基本組成運(yùn)算部件輸入邏輯算術(shù)、邏輯運(yùn)算部件（ALU）輸出邏輯輸出邏輯輸入邏輯輸入邏輯操作數(shù)ALU操作數(shù)運(yùn)算結(jié)果CPU的基本組成運(yùn)算部件設(shè)置情況只設(shè)置一個(gè)ALU設(shè)置一個(gè)ALU，并且配合時(shí)序控制設(shè)置一個(gè)ALU，且將定點(diǎn)乘除部件和浮點(diǎn)部件作為基本配置設(shè)置多種運(yùn)算部件CPU的基本組成寄存器組通用寄存器組暫存器指令寄存器程序計(jì)數(shù)器程序狀態(tài)字寄存器地址寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器CPU的基本組成微命令產(chǎn)生部件功能：是根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)，完成取指和執(zhí)行指令的控制。即建立數(shù)據(jù)通路類(lèi)型：分為時(shí)序邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型、時(shí)序邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型三種時(shí)序邏輯型（或組合邏輯）：硬布線控制器(或組合邏輯控制器)，采用時(shí)序邏輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)CPU的基本組成微命令產(chǎn)生部件存儲(chǔ)邏輯型—微程序控制器，采用存儲(chǔ)邏輯實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型—前兩種方式的組合CPU的基本組成時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序信號(hào)的作用：是按一定的時(shí)間序列產(chǎn)生一系列脈沖與電位信號(hào)，控制器根據(jù)電位和定時(shí)脈沖的順序和間隔指揮機(jī)器運(yùn)作。組成計(jì)算機(jī)硬件的器件決定了時(shí)序信號(hào)最基本的體制是電位——脈沖制。CPU的基本組成時(shí)序系統(tǒng)多級(jí)時(shí)序的概念指令周期機(jī)器周期時(shí)鐘周期（節(jié)拍）時(shí)鐘脈沖信號(hào)CPU的基本組成時(shí)序系統(tǒng)指令周期：取出并執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，通常包含3-4個(gè)機(jī)器周期。機(jī)器周期：對(duì)應(yīng)指令執(zhí)行的不同階段，如取指令、取操作數(shù)、執(zhí)行等階段。各階段長(zhǎng)短不一，按最長(zhǎng)的階段來(lái)劃分機(jī)器周期。通常一個(gè)機(jī)器周期包含4個(gè)時(shí)鐘周期T1-T4。時(shí)鐘周期：又稱(chēng)節(jié)拍或T周期對(duì)應(yīng)基本定時(shí)信號(hào)，由它確定主時(shí)鐘頻率?！駮r(shí)序關(guān)系：晶振輸出工作周期1工作周期2工作周期3時(shí)鐘T1工作脈沖P時(shí)鐘T2指令周期控制不同階段操作時(shí)間控制分步操作時(shí)間對(duì)微操作定時(shí)取指執(zhí)行取數(shù)取出指令修改PC打入IR打入PCCPU的基本組成CPU的基本組成時(shí)序系統(tǒng)組合邏輯控制器中，時(shí)序信號(hào)采用：周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖三級(jí)體制微程序控制器中，時(shí)序信號(hào)采用：節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖二級(jí)體制CPU的基本組成CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)獨(dú)立結(jié)構(gòu)R小型存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)單口RAM雙口RAM寄存器組獨(dú)立R、雙口RAM用多路選擇器作為ALU的輸入邏輯單口RAM用鎖存器作為ALU的輸入邏輯。數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)單組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)多組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)CPU的基本組成CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)單組內(nèi)總線、分立寄存器結(jié)構(gòu)移位器ALU多路選擇器多路選擇器R0RnR0...RnR0...Rn內(nèi)部總線（單向）特點(diǎn)：R各自獨(dú)立；可同時(shí)向ALU提供兩個(gè)操作數(shù)；采用單向內(nèi)總線。CPU的基本組成CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)單組內(nèi)總線、集成寄存器結(jié)構(gòu)移位器ALU暫存器D暫存器C內(nèi)部總線（雙向）R0Rn通用寄存器組（小型存儲(chǔ)器）特點(diǎn)：?jiǎn)慰赗AM不能同時(shí)向ALU提供兩個(gè)操作數(shù)；用鎖存器暫存操作數(shù)；采用雙向內(nèi)總線。CPU的基本組成CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)多組內(nèi)總線結(jié)構(gòu)暫存器T1暫存器T2R1RnR0MDRMARPCIR…ALU多路開(kāi)關(guān)多路開(kāi)關(guān)輸入數(shù)據(jù)總線ALU數(shù)據(jù)總線寄存器數(shù)據(jù)總線時(shí)序控制方式同步控制定義：各項(xiàng)操作受統(tǒng)一時(shí)序控制。特點(diǎn)：有明顯時(shí)序時(shí)間劃分，時(shí)鐘周期時(shí)間固定，各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受?chē)?yán)格同步定時(shí)控制。優(yōu)點(diǎn)：時(shí)序關(guān)系簡(jiǎn)單，時(shí)序劃分規(guī)整，控制簡(jiǎn)單；控制邏輯易于集中，便于管理。時(shí)序控制方式同步控制缺點(diǎn)：時(shí)間安排不合理應(yīng)用場(chǎng)合：用于CPU內(nèi)部、設(shè)備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作（各掛接部件速度相近，傳送時(shí)間確定，傳送距離較近）。時(shí)序控制方式異步控制定義：各項(xiàng)操作按不同需要安排時(shí)間，不受統(tǒng)一時(shí)序控制。特點(diǎn)：無(wú)統(tǒng)一時(shí)鐘周期劃分，各操作間的銜接和各部件之間的信息交換采用異步應(yīng)答方式。時(shí)序控制方式異步控制例：異步總線傳送操作主設(shè)備：申請(qǐng)并掌握總線權(quán)的設(shè)備從設(shè)備：響應(yīng)主設(shè)備請(qǐng)求的設(shè)備總線主從發(fā)/接接/發(fā)時(shí)序控制方式操作流程主設(shè)備獲得總線控制權(quán)主設(shè)備詢問(wèn)從設(shè)備主設(shè)備發(fā)送/接收數(shù)據(jù)主設(shè)備釋放總線控制權(quán)從設(shè)備準(zhǔn)備好？YN主設(shè)備輸出端與總線連接主設(shè)備輸出端與總線斷開(kāi)時(shí)序控制方式異步控制優(yōu)點(diǎn)：時(shí)間安排緊湊、合理。缺點(diǎn)：控制復(fù)雜。應(yīng)用場(chǎng)合：用于異步總線操作(各掛接部件速度差異大，傳送時(shí)間不確定，傳送距離較遠(yuǎn))。時(shí)序控制方式同步控制在實(shí)際應(yīng)用中的變化不同指令安排不同的時(shí)鐘周期數(shù)指令周期長(zhǎng)度可變，時(shí)鐘周期長(zhǎng)度不變可用計(jì)數(shù)器指示時(shí)鐘周期數(shù)的變化總線周期中允許插入延長(zhǎng)周期總線周期：經(jīng)總線傳送一次數(shù)據(jù)所用的時(shí)間傳送操作包括：傳送地址、存儲(chǔ)器讀/寫(xiě)等時(shí)序控制方式例：一個(gè)總線周期包含四個(gè)時(shí)鐘周期總線周期(4T)時(shí)鐘T1T3T2T4送地址讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)結(jié)束同步方式時(shí)鐘T1T3T2T4T4T4Tw送地址讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)結(jié)束總線周期(5T)擴(kuò)展同步方式時(shí)序控制方式同步控制在實(shí)際應(yīng)用中的變化同步方式引入異步應(yīng)答以固定時(shí)鐘周期作為時(shí)序基礎(chǔ)，引入應(yīng)答思想時(shí)序控制方式例：8088最大模式，用一根總線請(qǐng)求/應(yīng)答線實(shí)現(xiàn)總線權(quán)的轉(zhuǎn)移設(shè)備請(qǐng)求總線權(quán)RQ/GTCPU使用總線CPU使用總線CPU使用總線設(shè)備使用總線設(shè)備設(shè)備CPUCPU響應(yīng)，總線權(quán)交設(shè)備CPU設(shè)備釋放總線權(quán)CPU設(shè)備若干時(shí)鐘若干時(shí)鐘控制器分類(lèi)組合邏輯控制器微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW時(shí)序IR地址形成PCOPD尋址來(lái)自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW時(shí)序IR地址形成PCOPD尋址來(lái)自M送M或ALU+1送M1.微命令發(fā)生器功能：產(chǎn)生全機(jī)所需的各種微命令控制最基本的操作(微操作)的命令電位型脈沖型構(gòu)成微命令發(fā)生器：將產(chǎn)生微命令的條件綜合化簡(jiǎn)，形成邏輯式，用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。微命令發(fā)生器微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW時(shí)序IR地址形成PCOPD尋址來(lái)自M送M或ALU+1送M2.指令計(jì)數(shù)器PC功能：指示指令在M中的位置。PC本身+1順序執(zhí)行PC先+1，再用轉(zhuǎn)移地址修改PC微命令發(fā)生器PC轉(zhuǎn)移執(zhí)行:ALU+13.指令寄存器IR功能：存放現(xiàn)行指令。決定操作性質(zhì)操作碼字段操作數(shù)地址轉(zhuǎn)移地址PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW時(shí)序IR地址形成OPD尋址來(lái)自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIR地址碼字段譯碼器微命令發(fā)生器地址形成部件尋址D4.狀態(tài)寄存器PSW功能：指示程序運(yùn)行方式，反映程序運(yùn)行結(jié)果。例.某機(jī)的PSWPC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW時(shí)序IR地址形成OPD尋址來(lái)自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW工作方式

優(yōu)先級(jí)

T

NZVC151211876543210C=1進(jìn)位

V=1溢出Z=1結(jié)果為0N=1結(jié)果為負(fù)T=1,執(zhí)行跟蹤程序（1）條件碼反映程序運(yùn)行結(jié)果工作方式

優(yōu)先級(jí)TNZVC151211876543210（2）跟蹤標(biāo)志為查錯(cuò)設(shè)置的斷點(diǎn)標(biāo)志T。程序初始化置T為1...測(cè)試T跟蹤程序….....程序優(yōu)先級(jí)高于外部?jī)?yōu)先級(jí)，不響應(yīng)程序優(yōu)先級(jí)低于外部?jī)?yōu)先級(jí)，可響應(yīng)用戶方式：禁止程序執(zhí)行某些指令核心方式：允許程序執(zhí)行所有指令（3）優(yōu)先級(jí)為現(xiàn)行程序賦予優(yōu)先級(jí)別，以決定是否響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求。工作方式優(yōu)先級(jí)TNZVC151211876543210（4）工作方式規(guī)定程序的特權(quán)級(jí)。PSW在CPU中，反映程序運(yùn)行狀態(tài)；控制/狀態(tài)字在接口中,反映CPU命令、設(shè)備狀態(tài)。5.時(shí)序線路功能：控制操作時(shí)間和操作時(shí)刻。PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW時(shí)序IR地址形成OPD尋址來(lái)自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW時(shí)序振蕩器分頻器時(shí)鐘脈沖工作脈沖時(shí)鐘周期(節(jié)拍)產(chǎn)生電位型微命令，控制操作時(shí)間段產(chǎn)生脈沖型微命令，控制定時(shí)操作1.取指令PCPC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW時(shí)序IR地址形成OPD尋來(lái)自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW時(shí)序控制器工作過(guò)程地址M指令I(lǐng)R、譯碼(OP、尋址方式)PC+1PC2.取數(shù)(按尋址方式)立:PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW時(shí)序IR地址形成OPD尋址來(lái)自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW時(shí)序指令操作數(shù)有效地址M,取數(shù)R,取數(shù)直:寄存器號(hào)間:間接地址M,取有效地址寄存器號(hào)R,取有效地址變:形式地址變址量運(yùn)算器計(jì)算有效地址3.執(zhí)行(按操作碼)PC微命令發(fā)生器微命令序列I/O狀態(tài)控制臺(tái)信息運(yùn)行狀態(tài)譯碼…...PSW時(shí)序IR地址形成OPD尋址來(lái)自M送M或ALU+1送M微命令發(fā)生器PCIRPSW時(shí)序結(jié)果存儲(chǔ)器/寄存器操作數(shù)加法器操作數(shù)控制器分類(lèi)組合邏輯控制器工作原理：綜合化簡(jiǎn)產(chǎn)生微命令的條件，形成邏輯式，用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)；執(zhí)行指令時(shí)，由組合邏輯電路(微命令發(fā)生器）在相應(yīng)時(shí)間發(fā)出所需微命令