計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu).ppt

1、06:32,計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu) 自動化專業(yè),學(xué)時：32 上課時間：每周兩次 周一：8:00 9:35 周四：9:45 11:25,CPU,存 儲 器,輸入設(shè)備,運(yùn)算器,輔助存儲器,主存儲器,輸出設(shè)備,控制器,外設(shè),主機(jī),計算機(jī)的組成,課程內(nèi)容安排,控 制 器,微 程 序 控 制,硬 布 線 控 制,中央處理器,流 水 線,基本原理，微程序設(shè)計技術(shù),基本原理，與微程序控制的比較,控制器功能與組成，指令執(zhí)行過程,基本工作原理,中央處理器,CPU中的主要寄存器,1. 通用寄存器,2. 專用寄存器,通用寄存器可用來存放原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果，有的還可以作為變址寄存器、計數(shù)器、地址指針等。通用寄存器一般由程序

2、編址訪問。,CPU中的主要寄存器,2. 專用寄存器,程序計數(shù)器又稱指令計數(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。,1）程序計數(shù)器（PC）,2）指令寄存器（IR）,指令寄存器用來存放從存儲器中取出的指令。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。,CPU中的主要寄存器,數(shù)據(jù)寄存器用來暫時存放由主存儲器讀出的一個數(shù)據(jù)字；反之，當(dāng)向主存存入一個數(shù)據(jù)字時，也暫時將它們存放在數(shù)據(jù)寄存器中。,3）數(shù)據(jù)寄存器（DR）,4）地址寄存器（AR）,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

3、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。,CPU中的主要寄存器,狀態(tài)標(biāo)志寄存器用來存放程序狀態(tài)字（PSW）。程序狀態(tài)字的各位表征程序和機(jī)器運(yùn)行的狀態(tài)，是參與控制程序執(zhí)行的重要依據(jù)之一。它主要包括兩部分內(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）等，大多數(shù)指令的執(zhí)行將會影響到這些標(biāo)志位；二是控制標(biāo)志，如中斷標(biāo)志、陷阱標(biāo)志等。,5）狀態(tài)標(biāo)志寄存器（PSWR）,圖6.1 Intel 80386微機(jī)系統(tǒng)框圖,6.1 計算機(jī)的硬件系統(tǒng),Intel 80386包括指令部件、執(zhí)行部件和存儲管理部件等。 指令部件完成取指及指令譯碼功能，并產(chǎn)生控制信號

4、； 執(zhí)行部件包括ALU、乘法部件、寄存器組等； 存儲管理部件用來確定存儲器地址。,6.1 計算機(jī)的硬件系統(tǒng),圖6.2 Intel 80386引出端信號,6.1 計算機(jī)的硬件系統(tǒng),6.1 計算機(jī)的硬件系統(tǒng),6.2 控制器的組成,控制器的功能,取指令,分析指令,執(zhí)行指令,控制器的功能,控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出,對異常情況和某些請求的處理,6.2 控制器的組成,控制器的組成,1. 程序計數(shù)器(PC),2. 指令寄存器(IR),6.2 控制器的組成,3. 指令譯碼器或操作碼譯碼器,4. 脈沖源及啟停線路,5. 時序控制信號形成部件,圖6.3 控制器基本組成框圖,6.2 控制器的組成,控制器的控制

5、方式,1. 同步控制方式,2. 異步控制方式,6.2 控制器的組成,3. 聯(lián)合控制方式,4. 人工控制,同步控制方式即固定時序控制方式，各項操作都由統(tǒng)一的時序信號控制。由于不同的指令，操作時間長短不一致。同步控制方式應(yīng)以最復(fù)雜指令的操作時間作為統(tǒng)一的時間間隔標(biāo)準(zhǔn)。,控制器的控制方式,2. 異步控制方式,6.2 控制器的組成,異步控制方式即可變時序控制方式，各項操作不采用統(tǒng)一的時序信號控制，而根據(jù)指令或部件的具體情況決定，需要多少時間，就占用多少時間。 這是一種“應(yīng)答”方式，各操作之間的銜接是由“結(jié)束起始”信號來實(shí)現(xiàn)的。由前一項操作已經(jīng)完成的“結(jié)束”信號，或由下一項操作的“準(zhǔn)備好”信號來作為下一

6、項操作的起始信號，在未收到“結(jié)束”或“準(zhǔn)備好”信號之前不開始新的操作。,控制器的控制方式,3. 聯(lián)合控制方式,6.2 控制器的組成,這是同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。實(shí)際上現(xiàn)代計算機(jī)中幾乎沒有完全采用同步或完全采用異步的控制方式，大多數(shù)是采用聯(lián)合控制方式。通常的設(shè)計思想是：在功能部件內(nèi)部采用同步方式或以同步方式為主的控制方式，在功能部件之間采用異步方式。,控制器的控制方式,4. 人工控制方式,6.2 控制器的組成,（1） RESET （2） 連續(xù)或單條轉(zhuǎn)換開關(guān) （3） 符合停機(jī),6.2.3 指令執(zhí)行過程,組成控制器的基本電路,圖6.4 記憶電路,圖6.5 無記憶電路,寄存器、計數(shù)器和存儲單元

7、,加法器,6.2.3 指令執(zhí)行過程,取指令階段 取指令階段完成的任務(wù)是將現(xiàn)行指令從主存中取出來并送至指令寄存器中去。具體的操作如下： 將程序計數(shù)器（PC）中的內(nèi)容送至地址寄存器（AR），并送地址總線（AB）。 由控制單元（CU）經(jīng)控制總線（CB）向存儲器發(fā)讀命令。 從主存中取出的指令通過數(shù)據(jù)總線（DB）送到數(shù)據(jù)寄存器（DR）。,6.2.3 指令執(zhí)行過程,取指令階段 將DR的內(nèi)容送至指令寄存器（IR）中。 將PC的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好準(zhǔn)備。 以上這些操作對任何一條指令來說都是必須要執(zhí)行的操作，所以稱為公共操作。完成取指階段任務(wù)的時間稱為取指周期。,取指周期的工作流程,圖 取指周期的工作流

8、程,6.2.3 指令執(zhí)行過程,6.2.3 指令執(zhí)行過程,取出指令后，指令譯碼器ID可識別和區(qū)分出不同的指令類型。此時計算機(jī)進(jìn)入分析取數(shù)階段，以獲取操作數(shù)。由于各條指令功能不同，尋址方式也不同，所以分析取數(shù)階段的操作是各不相同的。 完成分析階段任務(wù)的時間又可以細(xì)分為間址周期、取數(shù)周期等。,分析取數(shù)階段,6.2.3 指令執(zhí)行過程,執(zhí)行階段,執(zhí)行階段完成指令規(guī)定的各種操作，形成穩(wěn)定的運(yùn)算結(jié)果，并將其存儲起來。完成執(zhí)行階段任務(wù)的時間稱為執(zhí)行周期。 計算機(jī)的基本工作過程就是取指令、取數(shù)、執(zhí)行指令，然后再取下一條指令如此周而復(fù)始，直至遇到停機(jī)指令或外來的干預(yù)為止。,圖6.6 運(yùn)算器框圖,6.2.3 指令執(zhí)

9、行過程,指令功能：將寄存器中的一個數(shù)與存儲器中的一個數(shù)相加，結(jié)果放在寄存器中。,操作碼 rs,rd rs1 imm(disp),加法指令：,6.2.3 指令執(zhí)行過程,6.2.3 指令執(zhí)行過程,加法指令完成以下操作： 從存儲器取指令，送入指令寄存器，并進(jìn)行操作碼譯碼(分析指令)。程序計數(shù)器加1，為下一條指令做準(zhǔn)備。,計算數(shù)據(jù)地址，將計算得到的有效地址送地址寄存器AR。,到存儲器取數(shù)。,進(jìn)行加法運(yùn)算，結(jié)果送寄存器，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果置狀態(tài)位N，Z，V，C。,控制信號：,控制信號：,控制信號：,控制信號：,表6.1 控制信號一覽表,指令周期是指從取指令、分析取數(shù)到執(zhí)行完該指令所需的全部時間。由于各種指令

10、的操作功能不同，有的簡單，有的復(fù)雜，因此各種指令的指令周期不盡相同。 機(jī)器周期又稱CPU周期。通常把一個指令周期劃分為若干個機(jī)器周期，每個機(jī)器周期完成一個基本操作。一般機(jī)器的CPU周期有取指周期、取數(shù)周期、執(zhí)行周期、中斷周期等。所以有： 指令周期i機(jī)器周期,指令周期和機(jī)器周期,6.2.3 指令執(zhí)行過程,6.3 微程序控制計算機(jī),6.3.1 微程序控制的基本概念,6.3.1 微程序控制的基本概念,微命令和微操作是一一對應(yīng)的。微命令是微操作的控制信號，微操作是微命令的操作過程。 微命令有兼容性和互斥性之分。兼容性微命令是指那些可以同時產(chǎn)生，共同完成某一些微操作的微命令；而互斥性微命令是指在機(jī)器中不

11、允許同時出現(xiàn)的微命令。兼容和互斥都是相對的，一個微命令可以和一些微命令兼容，和另一些微命令互斥。對于單獨(dú)一個微命令，談?wù)撈浼嫒莺突コ舛际菦]有意義的。,6.3.1 微程序控制的基本概念,一條微指令通常包含兩部分： 操作控制字段，又稱微操作碼字段，用以產(chǎn)生某一步操作所需的各微操作控制信號； 順序控制字段，又稱微地址碼字段，用以控制產(chǎn)生下一條要執(zhí)行的微指令地址。,6.3.1 微程序控制的基本概念,每一條機(jī)器指令都對應(yīng)一個微程序。,6.3.1 微程序控制的基本概念,微程序和程序是兩個不同的概念。 微程序是由微指令組成的，用于描述機(jī)器指令，微程序?qū)嶋H上是機(jī)器指令的實(shí)時解釋器，是由計算機(jī)的設(shè)計者事先編制好

12、并存放在控制存儲器中的，一般不提供給用戶。 而程序最終由機(jī)器指令組成，是由軟件設(shè)計人員事先編制好并存放在主存或輔存中的。,6.3.1 微程序控制的基本概念,執(zhí)行一條指令實(shí)際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲器中的微程序。,6.3.1 微程序控制的基本概念,仍以執(zhí)行一條加法指令為例，它由四條微指令解釋執(zhí)行，一條微指令中的所有控制信號是同時發(fā)出的。每條微指令所需的控制信號如下： (1) 取指微指令 指令地址送地址總線：PCAB(1) 發(fā)訪存控制命令：ADS(21)，MIO1(22)，WR0(23)。從存儲器取指令送數(shù)據(jù)總線。 指令送指令寄存器：DBIR(5) 程序計數(shù)器+1：PC+1(3),6.3.2

13、微程序控制的基本原理,(2) 計算地址微指令 取兩個源操作數(shù)(計算地址用)：rs1GR(8)，(rs1)ALU(10)，dispALU(4)。 加法運(yùn)算：“+”(13)。 有效地址送地址寄存器：ALUAR(19)。,6.3.2 微程序控制的基本原理,(3) 取數(shù)微指令 數(shù)據(jù)地址送地址總線：ARAB(20)。 發(fā)訪存控制命令：ADS(21)，MIO(22)，W/R(23)。由存儲器將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線DB。 數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)寄存器：DBDR(6),6.3.2 微程序控制的基本原理,(4) 加法運(yùn)算和送結(jié)果微指令 兩源操作數(shù)送ALU：rsGR(9)，(rs)ALU(11)；DRALU(12)。 加法運(yùn)算：“

14、+”(13) 送結(jié)果：ALUGR(17),6.3.2 微程序控制的基本原理,如何產(chǎn)生控制信號？,圖6.9 加法指令的微指令編碼,6.3.2 微程序控制的基本原理,圖6.10 微程序流程圖舉例,6.3.2 微程序控制的基本原理,圖6.11 微程序控制器簡框圖,6.3.2 微程序控制的基本原理,圖6.12 時序信號及工作脈沖,6.3.2 微程序控制的基本原理,機(jī)器加電后，首先由reset信號在PC內(nèi)置入開機(jī)后執(zhí)行的第一條指令的地址，同時在微指令寄存器內(nèi)置入一條“取指”微指令，并將其他一些有關(guān)的狀態(tài)位或寄存器置于初始狀態(tài)。然后機(jī)器開始執(zhí)行程序，不斷地取出指令、分析指令、執(zhí)行指令。,機(jī)器啟動過程,6.

15、3.2 微程序控制的基本原理,程序可以存放在固定存儲器中，也可以利用一小段引導(dǎo)程序(在固存中)將要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)從外部設(shè)備調(diào)入主存。實(shí)現(xiàn)各條指令的微程序是存放在微程序控制器中的。當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令從微程序控制器中取出后放在微指令寄存器中，由微指令的控制字段中的各位直接控制信息和數(shù)據(jù)的傳送，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。,6.3.2 微程序控制的基本原理,微指令編譯法,1. 直接控制法,2. 字段直接編譯法,3. 字段間接編譯法,4. 常數(shù)源字段,6.4 微程序設(shè)計技術(shù),如何縮短微指令字長？,圖6.21 字段直接編譯法,6.4.1 微指令編譯法,分段的原則： 互斥性的微命令分在同一段內(nèi)，兼容性的微命令分

16、在不同段內(nèi)； 每個小段中包含的信息位不能太多，否則將增加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼時間； 每個小段要留出一個狀態(tài)，表示本字段不發(fā)出任何命令，通常用000表示,圖6.22 字段間接編譯法,6.4.1 微指令編譯法,6.4.2 微程序流的控制,所謂微程序流的控制是指當(dāng)前微指令執(zhí)行完畢后，怎樣控制產(chǎn)生后繼微指令的微地址。,以增量方式產(chǎn)生后繼微地址 增量與下址字段結(jié)合產(chǎn)生后繼微地址 多路轉(zhuǎn)移方式 微中斷,圖6.23 “計數(shù)器”方式的原理圖,6.4.2 微程序流的控制,圖6.24 “增量與下址字段”方式的原理圖,6.4.2 微程序流的控制,1. 水平型微指令,2. 垂直型微指令,基本特點(diǎn)是在一條微指令中定義

17、并執(zhí)行多個并行操作微命令。,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,寄存器-寄存器傳送型微指令 微指令格式 0 1 2 3 7 8 12 13 15 0 0 0 源寄存器編址 目標(biāo)寄存器編址 其他 功能：把源寄存器數(shù)據(jù)送目標(biāo)寄存器。,6.4.3 微指令格式,水平型微指令與垂直型微指令的比較 (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)行一條指令的時間短，垂直型微指令執(zhí)行時間長。 (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，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。 (

18、4) 水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令與指令比較相似，相對來說，比較容易掌握。,6.4.3 微指令格式,6.4.4 微程序控制存儲器和動態(tài)微程序設(shè)計,微程序控制存儲器 動態(tài)微程序設(shè)計 控制存儲器的操作 毫微程序設(shè)計,圖6.27 串行微程序控制器,6.4.4 微程序控制存儲器和動態(tài)微程序設(shè)計,圖6.28 并行微程序控制器,6.4.4 微程序控制存儲器和動態(tài)微程序設(shè)計,毫微程序可以看作是用以解釋微程序的一種微程序，因此組成毫微程序的毫微指令就可看作是解釋微指令的微指令。 采用毫微程序設(shè)計的主要目的是減少控制存儲器的容量，采用的是兩級微程序設(shè)計方法。通常第一級采用垂直微程序，第二級采用水平微

19、程序。,6.4.4 微程序控制存儲器和動態(tài)微程序設(shè)計,6.4.4 微程序控制存儲器和動態(tài)微程序設(shè)計,圖6.29 毫微程序控制存儲器,用來編制微程序的語言叫做微程序設(shè)計語言，用微程序設(shè)計語言編制的程序叫做源微程序。源微程序不能直接裝入控制存儲器，要將它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼后才能裝入控制存儲器。將源微程序翻譯成二進(jìn)制碼的程序叫做微編譯程序。 微程序設(shè)計基本上沿用了程序設(shè)計的方法,6.4.5 微程序設(shè)計語言,硬布線控制的計算機(jī)？,由指令的操作碼直接控制并產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)取指、計算地址、取數(shù)及執(zhí)行等各步驟所需的控制信號。,6.5 硬布線控制的計算機(jī),問題：取指、計算地址、取數(shù)及執(zhí)行，每一步由一個機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)，如何

20、區(qū)分一條指令的四個機(jī)器周期呢?,圖6.31 用計數(shù)器譯碼器形成機(jī)器周期信號,6.5.1 時序與節(jié)拍,表6.3 計數(shù)器狀態(tài)變化,6.5.1 時序與節(jié)拍,根據(jù)真值表列出表達(dá)式，對于A指令，其表達(dá)式為 cyAcyAcyB+cyAcyB；(6.2) cyBcyA cyB+cyAcyBcyB。(6.3) 對于B指令，其表達(dá)式為 cyAcyA cyB+cyAcyBcyB；(6.4) cyBcyAcyB。(6.5),6.5.1 時序與節(jié)拍,圖6.32 時序計數(shù)器邏輯圖,6.5.1 時序與節(jié)拍,6.5.2 操作控制信號的產(chǎn)生,圖6.33 形成操作控制信號的邏輯框圖,如何組成？,輸入：來自指令譯碼器的輸出、時序

21、發(fā)生器的時序信號 輸出：一組帶有時間標(biāo)志的微操作控制信號,每個微操作控制信號是指令、時序等的邏輯函數(shù)，可表示為： 微操作=周期節(jié)拍脈沖指令碼其他條件,6.5.2 操作控制信號的產(chǎn)生,在計算地址周期cy2完成有效地址的計算(rs1)+Disp)，為此要將rs1的內(nèi)容取出與IR中的位移量一起送ALU，發(fā)出rs1GR(送通用寄存器地址)，(rs1)ALU，DispALU以及“+”命令，最后將運(yùn)算結(jié)果送地址總線，發(fā)出ALUAR信號。 列出邏輯表達(dá)式 rs1GR加法指令cy2(6.13) (rs1)ALU加法指令cy2(6.14) ALUAR加法指令cy2(6.15),6.5.2 操作控制信號的產(chǎn)生,圖

22、6.34 實(shí)現(xiàn)rs1GR，(rs1)ALU的邏輯圖,6.5.2 操作控制信號的產(chǎn)生,對每一條指令都進(jìn)行同樣的分析，得出邏輯表達(dá)式。 對所有指令的全部表達(dá)式進(jìn)行綜合分析后可得出下述結(jié)論： (1) 取指周期cy1所產(chǎn)生的信號，對所有指令都是相同的，即與當(dāng)前執(zhí)行的指令無關(guān)，邏輯式得到最簡單的形式。 (2) 通常，同一個控制信號在若干條指令的某些周期中都需要，為此需要把它們組合起來。,6.5.2 操作控制信號的產(chǎn)生,“+”加法指令(cy2+cy4)+減法指令cy2+轉(zhuǎn)移指令cy2+加法指令cy2+加法指令cy4+減法指令cy2+轉(zhuǎn)移指令cy2+(6.16),6.5.2 操作控制信號的產(chǎn)生,(3) 同種

23、類型的指令所需的控制信號大部分是相同的，僅有少量區(qū)別。不同類型的指令，其控制信號的差別就比較大。 (4) 在確定指令的操作碼時，注意化簡以減少邏輯電路數(shù)量。,6.5.2 操作控制信號的產(chǎn)生,例如，某機(jī)有128條指令，7位操作碼(OP0OP6)，其中有十六條算術(shù)邏輯運(yùn)算指令，那么可以令這些指令的三位操作碼完全相等(例如OP0OP2為001)，而OP3OP6分別表示16條指令，設(shè)命令A(yù)是所有算術(shù)邏輯指令在cy2周期中都需產(chǎn)生的，則： A加法指令cy2+減法指令cy2+邏輯加指令cy2+(加法指令+減法指令+邏輯加指令+)cy2OP0OP1OP2cy2,6.5.2 操作控制信號的產(chǎn)生,圖6.35 控

24、制器總框圖,6.5.3 控制器的組成,6.5.4 硬布線控制邏輯設(shè)計,1. 指令操作碼的代碼分配,2. 確定機(jī)器周期、節(jié)拍與主頻,3. 根據(jù)指令功能，確定每一條指令所需的機(jī)器周期數(shù)以及每一周期所完成的操作,4. 綜合所有指令的每一個操作命令（寫出邏輯表示式并化簡）,6.5.5 硬布線控制與微程序控制的比較,1. 實(shí)現(xiàn),2. 性能,微程序控制器的控制功能是在存放微程序的控制存儲器和存放當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下實(shí)現(xiàn)的，而硬布線控制則由邏輯門組合實(shí)現(xiàn)。,設(shè)計簡單，方便修改與擴(kuò)展,結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計麻煩，檢查調(diào)試?yán)щy,微程序控制的速度 硬布線控制的速度,原因：執(zhí)行每條微指令都要從控存中讀取一

25、次，影響了速度，而硬布線邏輯主要取決于電路延遲,6.7 流水線工作原理,蒙牛流水線,取指1 計算地址1 取操作數(shù)1 計算存結(jié)果1 取指2 計算地址2 ,機(jī)器指令的執(zhí)行,如何提高效率？,6.7 流水線工作原理,圖6.37 指令重疊執(zhí)行情況,6.7 流水線工作原理,6.7 流水線工作原理,6.7 流水線工作原理,(1) 流水過程由多個相聯(lián)系的子過程組成，每個子過程稱為流水線的級或段。段的數(shù)目稱為流水線的深度。(2) 每個子過程由專用的功能段實(shí)現(xiàn)；(3) 各個功能段所需時間應(yīng)盡量相等，否則，時間長的功能段將成為流水線的瓶頸，會造成流水線的堵塞和斷流。這個時間一般為一個時鐘周期(拍)；(4) 流水線需要有通過時間(第一個任務(wù)流出結(jié)果所需的時間)，在此之后流水過程才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個時鐘周期(拍)流出一個結(jié)果。,6.7 流水線工作原理,流水工作特點(diǎn)：,6.7 流水線工作原理,按照流水線的級別