计算机组成原理(第二版) 第6章 中央处理器

2019年5月11日
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6.1.1 中央处理器的功能与组成 (4/5)
五、CPU的组成 （1）指令部件
程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器（ID）、程序状态寄存器 （PSW）和地址形成部件等。 （2）时序部件
时序部件就是用来产生各部件所需要的定时控制信号的部件。时序信号一般 由工作周期，工作节拍及工作时标脉冲三级时序信号构成。
计计算算机机组组成成原原理理(第(第二二版版) )
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第6章 中央处理器
教学目标 教学重点 教学过程
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教学目标
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掌握中央处理器的基本工作原理 掌握程序控制基本思想
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6.2.1 指令周期 (12/18)
（2）“指令计数器PC递增”的微操作序列 ①PCout，0Y，Yin，0X，1，ADD，Zin （把有效地址送入暂存器Z。） ②Zout，PCin （把暂存器Z的内容送PC。）
（3）“从主存中取出指令字”的微操作序列 ①PCout，0Y，Yin，MARin，READ （指令地址送到主存，发读命令。） ②0X，1，ADD，Zin，WMFC （（PC）+1，并等待内存操作完成回答信号。） ③MDRout，IRin，Zout，PCin （接收指令到IR，开始译码，并且PC内容已递增。）
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6.1.2 操作控制器与时序产生器
根据设计方法不同，操作控制器可分为：
时序逻辑型 称为硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的
存储型 称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的；
时序逻辑与存储逻辑结合型。 是前两种方式的组合。本书重点介绍微程序控制器。
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总线
IR OC AC PC PSW
Z
MAR MDR
I/O接口
ID
存储体
微操作 控制器
...
时序信号
微操作控制信号序列
XY
R0..R3,S,D,T
图6-3 模型计算机框图
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I/O设备
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6.2.1 指令周期 (11/18)
Байду номын сангаас
三、微操作序列
（1）“从主存中取出一个字”的微操作序列 ①R1out，0X，0Y，RY，ADD，Zin （把有效地址送入暂存器Z。） ②Zout，MARin，READ （将总线地址送入MAR，并发送读命令READ。） ③WMFC （控制器等待存储器发来的操作完成信号MFC。） ④MDRout，0X，Xin，0Y，ADD，Zin （控制器收到MFC信号后，将MDR中已读出的代码送入暂存器Z。） ⑤Zout，R2in （将取得的数据装入R2寄存器中。）
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6.2.1 指令周期 (5/18)
一、基本工作过程
3、执行指令
执行指令阶段完成指令所规定的各种操作，具体实现 指令的功能。
F(IR，PSW，时序) →微操作控制信号序列
例如，ADD （R0），R1 又如，SUB D（R0），（R1）
若无意外事件（如结果溢出）发生，机器就又从PC中 取得下一条指令地址，开始一条新指令的控制过程。
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6.1.1 中央处理器的功能与组成 (2/5)
二、控制器的功能（基本功能） 控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥协 调各功能部件执行指令。
三、程序控制原理 1、编程 2、送MM（通过输入设备） 3、机器工作时，是按一定的序列逐条取出指令，分析指令，执行
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6.1.1 中央处理器的功能与组成 (1/5)
一、CPU的基本功能 （1）程序控制
保证机器按一定顺序执行程序是CPU的首要任务。 （2）操作控制
一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。 （3）时间控制
对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。 各种指令的操作信号均受到时间的严格控制； 一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。 （4）数据加工
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6.2.1 指令周期 (2/18)
一、基本工作过程
主要是指执行指令的过程。计算机执行指令的过程可 以分为三个阶段：取指令；分析指令；执行指令。
1、取指令 (1) (PC)→MAR，READ
(2) (PC)+1→PC (3) 读操作（将MAR所指定的地址单元的内容读出） →MDR，并发出MFC（Wait for MFC） (4) (MDR) →IR，指令译码器对操作码字段OC开始译码。
（2）暂存器：X、Y、Z，其中X和Y两个暂存器也 作为ALU的两个输入多路开关使用，可以采用锁 定器的方式实现。
（3）单总线结构：PC，PSW挂在总线上。
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6.2.1 指令周期 (7/18)
二、模型机结构
2、微操作控制信号 （1）助记符：
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6.2 指令的执行与时序产生器
6.2.1 指令周期 6.2.2 时序产生器 6.2.3 CPU的控制方式
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6.2.1 指令周期 (1/18)
CPU每取出并执行一条指令，都要完成一系列的 操作，这一系列操作所需的时间通常叫做一个指 令周期。更简单地说，指令周期是取出并执行一 条指令的时间。
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6.1 中央处理器的总体结构
在计算机系统中，中央处理器CPU是由控 制器和运算器两大部分组成的。控制器是 整个系统的指挥中心，在控制器的控制之 下，运算器、存储器和输入输出设备等部 件构成了一个有机的整体。
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6.1.1 中央处理器的功能与组成 (5/5)
PSW
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对各功能部件产生控制 去内存取指令或取数据
...
微操作信号产生器
...
时序部件
...
OC译码器
...
PC 地址形成部件
OC
AC
图6-1 控制器基本结构
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6.2.1 指令周期 (13/18)
（4）双操作数加法指令ADD （R0），R1 ① PCout，0Y，Yin，MARin，READ （指令地址送到主存，发读命令。） ② 0X，1，ADD，Zin，WMFC （（PC）+1，并等待内存操作完成回答信号。） ③ MDRout，IRin，Zout，PCin （接收指令到IR，开始译码，并且PC内容已递增。） ④ R0out，0X，0Y，RY，ADD，Zin （源操作数间接寻址，送地址到Z。） ⑤ Zout，MARin，READ （取源操作数） ⑥ WMFC，R1out，0X，RX （等待内存回答，将终点数送至X暂存器。） ⑦ MDRout，0Y，Yin，ADD，Zin （将源点数送至ALU的Y端，相加。） ⑧ Zout，R1in （将结果送R1中） ⑨ END （结束）
– 这是一条加法指令； – 源点操作数是寄存器间接寻址方式，操作数在内存中，有效地址
是存（器R的0内）容，。终点操作数是寄存器直接寻址方式，操作数就是R1寄
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6.2.1 指令周期 (4/18)
一、基本工作过程
又如，若目前在IR寄存器中的指令是一条减法指令：
SUB D（R0），（R1） 其中R0，R1是通用寄存器，事先由其它指令已送入了内 容。分析指令阶段能得到两个结果：
– 这是一条减法指令； – 源点操作数是寄存器变址寻址方式，操作数在内存中，有效地址是
（R0）+D，终点操作数是通用寄存器间接寻址方式，有效地址是R1 寄存器的内容。
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(2) 可编程逻辑阵列(PLA)法； 与前者本质相同，工艺不同；
用大规模集成电路(LSI)来实现。 (3) 微程序控制逻辑法。
将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑；将各种操作控制信号 以编码信息字的形式存入控制存储器中（CM）； 一条机器指令对应一道微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行 的过程。
C、内存：
(a) READ，WRITE； (b) 内存地址寄存器接收控制信号MARin； (c) MDRin,MDRout；
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6.2.1 指令周期 (9/18)
3、指令格式： 模型机的寻址方式采用通用寄存器寻址方式，以双操作数指令
为例，其指令格式如下：
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6.2.1 指令周期 (8/18)
B、运算器中：
(a) X暂存器接收总线数据控制信号Xin； (b) Y暂存器接收总线数据控制信号Yin； (c) Z暂存器接收，发送控制信号Zin,Zout； (d) R0in~R3in,R0out~R3out； (e) Sin,Sout,Din,Dout,Tin,Tout.； (f) ALU：ADD，SUB，ADC，...AND，XOR，1等； (g) 0Y，RY； (h) 0X，RX；
计算机的基本工作过程可以概括地说成是取指令，分 析指令，执行指令，再取下一条指令，依次周而复始地执 行指令序列的过程。
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6.2.1 指令周期 (6/18)
二、模型机结构
1、框图
（1）寄存器：R0~R3是通用寄存器，S，D，T为 CPU内部的暂存数据的工作寄存器，分别称为源 点寄存器(S)，终点寄存器(D)和临时寄存器(T)。
OC(4位) 源点操作数(4位) 终点操作数(4位)
操作数地址字段由两部分组成：
方式位(2位)
寄存器编号(2位)
寄存器编号的含义是： 00：R0； 01：R1； 10：R2； 11：R3；
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6.2.1 指令周期 (10/18)
4、寻址方式：
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R1out：表示将R1寄存器中的信息发送出去的微操作控制信号。 R0in：表示将信息接收至R0寄存器的微操作信号。 MFC：存储器功能完成信号。 WMFC：等待MFC信号。 READ：读存储器微操作。 WRITE：写存储器微操作。 （2）微操作：
A、控制器中：
(a) IRin； (b) PCin,PCout； (c) WMFC； (d) END：指令工作完成
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6.2.1 指令周期 (3/18)
一、基本工作过程
2、分析指令 (1) OC：识别和区分不同的指令类别； (2) AC：获取操作数的方法。 例如，假设目前在IR寄存器中的指令是一条加法指令： ADD （R0），R1 其中R0，R1是通用寄存器，事先由其它指令已送入了 内容。分析指令阶段能得到两个结果：
（3）微操作控制线路 微操作是指计算机中最基本的操作；微操作控制逻辑，用来产生机器所需的 全部的微操作信号。微操作控制逻辑的作用是把操作码译码器输出的控制电 位，时序信号以及各种控制条件进行组合，按一定时间顺序产生并发出一系 列微操作控制信号，以完成指令规定的全部操作。
（4）中断控制逻辑 中断控制逻辑用来控制中断处理的硬件逻辑。
指令，并自动转到下一条指令执行，直到程序规定的任务完成。 4、程序控制由控制器承担，程序存储由存储器完成。
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6.1.1 中央处理器的功能与组成 (3/5)
四、控制器逻辑结构的3种组织方法 (1) 常规组合逻辑法(或称随机逻辑法)；
分立元件时代的产物；方法是按逻辑代数的运算规则，以组合电路最 小化为原则，用逻辑门电路实现；不规整，可靠性低，造价高。
教学重点
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中央处理器的总体结构 指令的执行与时序产生器 微程序设计技术和微程序控制器 硬布线控制器与门陈列控制器
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教学过程
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6.1 中央处理器的总体结构 6.2 指令的执行与时序产生器 6.3 微程序设计技术与微程序控制器 6.4 硬布线控制器与门阵列控制器 6.5 CPU新技术 6.6 例题解析
指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU 周期也称为机器周期。
而一个CPU周期时间又包含有若干个时钟周期 （通常称为节拍脉冲或T周期，是处理操作的最 基本单位）。
计算机的程序执行过程实际上是不断地取出指令、 分析指令、执行指令的过程。
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