第6章(中央处理器)2010

指令流程设计
2.分析取数阶段
指令流程设计
3.执行阶段
指令流程设计
计算机的基本工作过程可以概括成为取指令、分析取数、执 行指令，然后再取下一条指令，……。如此周而复始，直至 遇到停机指令或外来的干预为止。
指令流程设计
指令流程设计实例
（１） SUB AX，BX （2） MOV AX，BX （3） MOV AX， [BP] （4） MOV AX，#8000
指令系统设计
[操作数] 有二地址指令，一地址指令和零地址指令3种指令．第一操作数寻址方式见图６.3, 第二操作数寻址方式见表6.4 .
表6.4 寻址方式编码
指令系统设计
[操作码] 采用指令扩展码技术，双地址指令用15至10位（共6位）表示操作码，其中,000000 用于扩 展；单地址指令15至10位为000000,用９至４位（共6位）表示操作码．其中,000000 用于扩 展；零地址指令15至４位为000000000000,用3至0位（共4位）表示操作码．
（专用数据通路） ☆ 在CPU内部创建一条总线（bus）各部件之间通过 该
（建立数据通路）
总线传送数据。 （总线方式数据通路）
本例用总线方式
数据通路的设计
并部件连接起来
X86
架构 总线方式
数据通路的设计
数据通路的设计
３.数据流动信号分析
数据通路的设计
中央处理器的操作：
数据通路的设计
数据通路的设计
指令执行步骤回顾
1.取指令阶段
取指令阶段完成的任务是将现行指令从主存中取出来并送至指令寄存器中去。具 体的操作为： ①将程序计数器（PC）中的内容送至存储器地址寄存器（MAR）。 (PC)→MAR ②由控制单元（CU）经控制总线（CB）向主存发读命令。 Read ③从主存中取出的指令通过数据总线（DB）送到存储器数据寄存器（MDR）。 M(MAR) →MDR ④将MDR的内容送至指令寄存器（IR）中。 (MDR)→IR ⑤将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备。 (PC)＋1→PC 以上这些操作对任何一条指令来说都是必须要执行的操作， 所以称为公共操作
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现
指令系统设计 指令系统设计 数据通路的设计
指令流程设计 控制部分的实现
指令系统设计
从分析CPU应用开始确定它将运行的程序类型 从而确定指令集（ISA）
本章采用CISC
X86 架构指令体系结构为例
指令系统设计
[指令格式] 设机器字长为１６位，指令采用变长指令格式，指令长为1~2字（16~32位），其中 第一字为操作码和寻址特征，第二字为立即数（Imm）或偏移量（disp）。
数据通路的设计
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现 指令系统设计
数据通路的设计
指令流程设计 指令流程设计 控制部分的实现
指令流程设计
以流程图的形式描述指令的操作过程，就得到
指令操作流程图． 指令流程设计的结果是将指令的执 行过程以指令流程图的形式表示出来.
指令操作过程：
指令流程设计
指令流程设计
（１） SUB AX，BX
指令流程设计
（5）ADD AX，BUF[BX]
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现 指令系统设计
数据通路的设计
指令流程设计 控制部分的实现
控制部分的实现
控制器（CU）
根据IR的内容（指令），PSW的内容（状态信息）以及时序线路的 内容，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号． 微操作信号发生器：
时序部件：
时序部件能产生一定的时序信号，以保证机器的各功能部件有节奏地进行 信息传送、加工及信息存储。时序部件包括： ⑴脉冲源 ⑵启停控制逻辑 ⑶节拍信号发生器
数据通路的设计
控制单元所需部件
数据通路的设计
系统所需全部功能部件：
数据通路的设计
２.将选择的功能的部件连起来
连接方法：
☆ 在所有需要传送数据的部件之间创建一条直接通路。
指令流程设计
3. 执行周期(EXEC)
（１） SUB AX，BX
（2） MOV AX，BX
（3） MOV AX， [BP]
不同的指令执行周期完成的操作不同
指令流程设计
（4） MOV AX，#8000 （5）ADD AX，BUF[BX]
（6） JMP LL
指令流程设计
将系统各指令各周期综合起来形成系统指令流程图
一．中央处理器(CPU)概述 二.计算机系统设计与实现
中央处理器概述部分内容提要
一．中央处理器(CPU)概述 中央处理器(CPU)的功能 指令的执行过程 控制策略概述
中央处理器概述
中央处理器(CPU)的功能
中央处理器（CPU）对整个计算机系统的运行极为重要，控制器是核心 单元．CPU 具有以下四方面的功能： Θ指令控制：程序顺序的控制 Θ操作控制：按指令含义完成各种操作动作
Θ时间控制：对各种操作实施时间上的控制
Θ数据加工：对数据进行算数运算和逻辑运算处理
控制器的功能就是控制指令的正确执行
中央处理器概述
指令的执行过程
How to execute instructions
MIPS instructions
• First we need to:
取指令
• Then we need to:
指令的执行流程 指令的执行流程 指令的执行流程 指令的执行流程
（5）ADD AX，BUF[BX] 指令的执行流程 （6） JMP LL 指令的执行流程
指令流程设计
（１） SUB AX，BX
指令的执行流程
指令流程设计
（2） MOV AX，BX （4） MOV AX，#8000
（3） MOV AX， [BP]
操作数地址形成部件 根据指令的不同寻址方式，用来形成操 作数的有效地址，在微、小型机中，一般不 设专门的地址形成部件，而是利用运算器来 进行有效地址的计算。
数据通路的设计
译码取操作数阶段所需部件
数据通路的设计
执行
算数逻辑运算单元（ＡＬＵ）：进行算数和逻辑运算．
通用寄存器：用于存放操作数和各种地址信息等． 暂存器：由于ALU是没有内部存储功能的组合电路，为 使运算的两个数同时进入ALU需有暂存器． 位移器：对数据进行位移运算．
指令系统设计
例如：
SUB AX，BX
MOV AX,[BP]
MOV AX，#8000
指令系统设计
指令系统设计
JMP LL
指令系统设计
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现 指令系统设计
数据通路的设计 数据通路的设计
指令流程设计 控制部分的实现
数据通路的设计
1.选择完成预定功能的部件
一条指令的取出和执行可以分解成很多最基本的操作，这种最基本的不可 再分割的操作称为微操作。微操作信号发生器用来发出微操作序列。
时序部件：
时序部件能产生一定的时序信号，以保证机器的各功能部件有节奏地进行信息传 送、加工及信息存储。时序部件包括： ⑴脉冲源 脉冲源用来产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号。 ⑵启停控制逻辑 启停控制逻辑的作用是根据计算机的需要，可靠地开放或封锁脉冲，控制时序信 号的发生或停止，实现对整个机器的正确启动或停止。 ⑶节拍信号发生器 节拍信号发生器又称脉冲分配器。脉冲源产生的脉冲信号，经过节拍信号发生 器后产生出各个机器周期中的节拍信号，用以控制计算机完成每一步微操作。
数据通路的设计
状态标志寄存器（PSW） 状态标志寄存器用来存放程序状态字的。程序状态字的各位表征 程序和机器运行的状态，是参与控制程序执行的重要依据之一。它主 要包括两部分内容：一是状态标志，如：进位标志（CF）、结果为零 标志（ZF）等，大多数指令的执行将会影响到这些标志位；二是控制 标志，如：中断标志、陷阱标志等。
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现 指令系统设计
数据通路的设计
指令流程设计 控制部分的实现
计算机系统设计与实现
计算机设计及实现的基本步骤
Θ Θ Θ Θ
1. 指令系统设计
2. 数据通路的设计 3. 指令流程设计（分析各周期应产生的控制信号） 4. 实现控制部分并与时序驱动部件联合完成预定操作
第六章
Central Processing Unit (CPU)
中央处理器
Homework
第６章 中央处理器部分作业：
６-１３, ６-１４ , ６-１８
本章主要参考文献： 计算机组成原理考研指导 ，徐爱萍，清华大学出版社
中央处理器内容提要
中央处理器（CPU）是整个计算机的核心，它包括运算器和控 制器。 控制器是计算机系统的指挥中心，它把运算器、存储器、输 入/输出设备等部件组成一个有机的整体，然后根据指令的要求指挥 全机的工作。本章着重讨论CPU的功能和组成，控制器的工作原理和 实现方法。
指令流程设计
（5）ADD AX，BUF[BX] 指令的执行流程
指令流程设计
（6） JMP LL 指令的执行流程
指令流程设计
选以下指令为例进行部分指令流程综合:
SUB AX，BX MOV AX,[BP] MOV AX，#8000 JMP LL
指令流程设计
FIC PC→IB, ARin AR → AB,MMRD,+2PC DB→DR, DRin DR→IB, IRin
Y IRin15~0 全0 JMP LL N SUB AX，BX MOV AX,[BP] MOV AX，#8000JMP LL
EXEC
BX → IB,Sin AX → IB,SUB,Tin T→ IB,AXin