計算機組成與體系結(jié)構(gòu) 課件 09CPU組織

CPU組織計算機組成與體系結(jié)構(gòu)CPUCentralProcessingUnit主要構(gòu)成運算器控制器高速緩存Cache數(shù)據(jù)通路（內(nèi)部總線）……CPU的功能指令控制：程序的順序控制，稱為指令控制。由于程序是一個指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序進(jìn)行，因此，保證機器按順序執(zhí)行程序是CPU的首要任務(wù)。操作控制：一條指令的功能往往是由若干個操作信號的組合來實現(xiàn)的，因此，CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行操作。時間控制：對各種操作實施時間上的定時，稱為時間控制。因為在計算機中，各種指令的操作信號均受到時間的嚴(yán)格定時。另一方面，一條指令的整個執(zhí)行過程也受到時間的嚴(yán)格定時。只有這樣，計算機才能有條不紊地自動工作。數(shù)據(jù)加工：所謂數(shù)據(jù)加工，就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算處理。完成數(shù)據(jù)的加工處理，是CPU的根本任務(wù)，因為，原始信息只有經(jīng)過加工處理后才能對人們有用。CPU的基本組成運算器：數(shù)據(jù)加工算術(shù)邏輯單元ALU累加寄存器（或通用寄存器）數(shù)據(jù)緩沖寄存器狀態(tài)條件寄存器控制器：發(fā)布命令的“決策機構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作程序計數(shù)器指令寄存器、指令譯碼器時序產(chǎn)生器操作控制器控制器的主要功能從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。對指令進(jìn)行譯碼或測試，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號，以便啟動規(guī)定的動作。指揮并控制CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動的方向。簡化的CPU視圖寄存器組織用戶可見寄存器（User-VisibleRegister）允許機器語言或匯編語言的編程人員通過優(yōu)化寄存器的使用而減少對主存的訪問?？刂坪蜖顟B(tài)寄存器（ControlAndStatusRegister）用來控制CPU的操作并被特權(quán)的操作系統(tǒng)程序用于控制程序的執(zhí)行。用戶可見寄存器通用寄存器（GeneralPurposeRegister）可被程序員指派各種用途。有時，它們在指令集中的使用是正交于操作的，即任何通用寄存器能為任何操作碼容納操作數(shù)。這提供了真正通用的意義。條件代碼（ConditionCodes）寄存器，也被稱為程序狀態(tài)字（ProgramStatusWord，PSW），CPU硬件設(shè)置這些條件位作為操作的結(jié)果。存儲數(shù)據(jù)寄存器僅可用于保持?jǐn)?shù)據(jù)而不能用于操作數(shù)地址的計算。存儲地址寄存器可以是自身有某些通用性，或是專用于某種具體的尋址方式?？刂坪蜖顟B(tài)寄存器程序計數(shù)器（PC）：含有待取指令的地址。指令寄存器（IR）：含有最近取來的指令。存儲地址寄存器（MAR）：含有存儲器位置的地址。存儲緩沖寄存器（MBR）：也稱為存儲數(shù)據(jù)寄存器（MDR），含有將被寫入存儲器的數(shù)據(jù)字或最近讀出的字。寄存器組織示例x86EFLAGSRegister簡單CPU模型操作控制器作用：根據(jù)指令，產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號類型硬布線控制器，它是采用組合邏輯控制器來實現(xiàn)的，它的優(yōu)點是速度快，缺點是結(jié)構(gòu)不規(guī)整，設(shè)計、調(diào)試、維護(hù)較困難微程序控制器，它是采用存儲邏輯來實現(xiàn)的，優(yōu)點是設(shè)計規(guī)整，調(diào)試、維護(hù)、擴充指令方便控制器的時序系統(tǒng)計算機的協(xié)調(diào)動作需要時間標(biāo)志，而時間標(biāo)志則是用時序信號來體現(xiàn)的。一般來說，控制器發(fā)出的各種控制信號都是時間因素（時序信號）和空間因素（部件位置）的函數(shù)。時序產(chǎn)生器的作用就在于將各種控制信號嚴(yán)格定時，使多個控制信號在時間上相互配合完成某一功能。指令執(zhí)行的基本過程取指令階段取指令階段對所有指令都是相同的，它是將程序計數(shù)器（PC）的內(nèi)容作為地址去讀內(nèi)存，將該單元的內(nèi)容即指令讀出送往指令寄存器（IR）。同時PC的內(nèi)容自增，指向下一條指令，也就是說取指令是一次內(nèi)存的讀操作。取操作數(shù)階段取操作數(shù)僅針對操作數(shù)存放在內(nèi)存的情況。由于尋址方式的不同（直接、間接、基址、相對、變址等），取操作數(shù)的過程也大不相同，取操作數(shù)是一次或多次內(nèi)存的讀操作，還可能包括操作數(shù)地址的計算（如變址、基址、相對等）。執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令是根據(jù)指令操作碼對操作數(shù)實施各種算術(shù)、邏輯及移位操作。對于結(jié)果地址在內(nèi)存的，還應(yīng)包括一次內(nèi)存的寫操作。對于轉(zhuǎn)移指令或子程序調(diào)用及返回等指令，應(yīng)對PC的內(nèi)容進(jìn)行更新?？刂破鞯幕究刂品绞街噶畹姆焙喅潭炔煌?，所需要的執(zhí)行時間也有很大差異。如何根據(jù)具體情況實施不同的控制，就是控制方式所需要解決的問題基本方式同步控制方式異步控制方式準(zhǔn)同步控制方式同步控制方式系統(tǒng)有一個統(tǒng)一的時鐘，所有的控制信號均來自這個統(tǒng)一的時鐘信號同步控制方式又可分為以下幾種定長指令周期定長CPU周期變長CPU周期、定長節(jié)拍周期折中方式異步控制方式異步控制方式中沒有統(tǒng)一的時鐘信號，各部件按自身固有的速度工作，通過應(yīng)答方式進(jìn)行聯(lián)絡(luò)異步控制相對于同步要復(fù)雜實例：內(nèi)存或I/O設(shè)備的Ready信號準(zhǔn)同步控制方式又稱為聯(lián)合控制方式，是介于同步異步中間的一種折中，或者說是異步方式的同步化準(zhǔn)同步方式是CPU進(jìn)行內(nèi)存的讀/寫操作和I/O數(shù)據(jù)傳輸操作通常采用的方式，較好地解決了同步與異步的銜接問題組合邏輯控制器的時序系統(tǒng)指令周期、CPU周期、節(jié)拍周期和節(jié)拍脈沖組合邏輯控制器的時序產(chǎn)生器微程序控制器的時序系統(tǒng)與組合邏輯控制器的時序系統(tǒng)相比，微程序控制器的時序系統(tǒng)要簡單得多在微程序控制方式中，是將一條機器指令轉(zhuǎn)化為一段有微指令組成的微程序微指令的讀取和執(zhí)行所用的時間定義為微程序控制器的基本時序單位，稱為“微周期”微程序控制器的時序系統(tǒng)模型機數(shù)據(jù)通路模型機指令系統(tǒng)尋址字段第3、2、1、0位尋址方式及相關(guān)寄存器0000寄存器尋址AX0001寄存器尋址BX0010寄存器尋址CX0011寄存器尋址DX0100寄存器間接尋址[BP]0101寄存器間接尋址[BX]0110寄存器間接尋址[SI]0111寄存器間接尋址[DI]1000立即尋址，雙字長指令，第二字為立即數(shù)imm1001未定義1010直接尋址，雙字長指令，第二字為Addr1011間接尋址，雙字長指令，第二字為[Addr]1100基址尋址，雙字長指令，第二字為disp，[BP+disp]1101相對