计算机原理 第五章中央处理器

〔例4〕MOV (mem), R2 ((mem))→R2 (mem)为存储器间接寻址方式
解：
（１）
步骤
PC→MAR , PC+1→PC,
对应微操作控制信号
PCout=1, MARin=1, WE=0（读内存） PC+1=1 MDRout=1, IRin=1
（２） M→DBUS→MDR→IR,
（３） IR(mem)(地址段）→MAR, IRout=1, MARin=1，WE=0 （４） M→DBUS→MDR→MAR, （５） M→DBUS→MDR→R2, MDRout=1, MARin=1, WE=0 MDRout=1, R2in=1
２。ALU及暂存器（LA、LB）
进行算术与逻辑运算的部件，前面已讲过，这里不再介绍。 暂存器LA、LB是暂时存放ALU要加工处理的数据的两个寄存器。
３。移位器
对ALU运算结果进行左移、右移和直传的操作，可配合乘除法及左右移位 指令的实现。
４。状态寄存器（SR）
存放ALU运算中的状态，如溢出、结果为零、结果为负、借进位等。 在现代计算机中使用程序状态寄存器PSW，它包含SR内容，同时还包含程序 优先级、工作方式和其它信息。计算机越大PSW所包含的内容越多，为便于 简化教学，我们规定PSW只包含SR和程序状态优先级（屏蔽码）。
2. 全编码方法
把所有微命令编码，每一种编码代表一个微命令，特点是每 条微指令只能产生一个微操作控制信号。
〔例〕 如果某控制器需要500个左右的微操作控制信号，只需9 位宽度的CM， 29＝512。这种方式也称为垂直型编码格式。 优点：微指令字长度特短。 缺点：一条指令对应的微程序过长，大大增加访问CM的次数， 使CPU速度下降。
１。程序计数器(PC)，Program Counter
又称为指令地址寄存器，存放下一条指令的地址。 CPU取指令时，将PC的内容送到主存储器的地址寄存器中，读 取该单元存放的指令，然后，自动修改形成下一条要执行的指令的 地址，一般PC自动加1就得到下条指令的地址。PC的具体硬件是可 预置数的计数器，如74161，74163等等。
5.3.3 控制指令执行流程
〔例5〕JMP mem,
解： （１） （２） （３） 步骤 PC→MAR , PC+1→PC,
无条件转移，
mem为转移地址
对应微操作控制信号 PCout=1, MARin=1, WE=0（读内存） PC+1=1 MDRout=1, IRin=1
M→DBUS→MDR→IR,
机器指令对应微程序
5.4.2 微指令编码格式的设计
1. 直接控制法（不译法） 微指令中每一位就是一个微命令，直接对应于一种微操 作控制信号，例如它的每一位用“1”和“0”表示相应的微命 令“有”和“无”。
微操作控制信号（微命令）
S3
S2
S1
S0
……
WE
微操作控制字段
顺序控制字段
优点：简单直观，执行速度快。 缺点：信息效率太低，将使微指令字变得很长。
（4 ） （５）
〔例2〕SUB （R1），R2 间接寻址的减法指令。
解：
第一阶段 取指周期
((R1))－(R2) →R2，寄存器
对应微操作控制信号
步骤 （１） PC→MAR, PC+1→PC,
PCout=1, MARin=1, WE=0（读内存） PC+1=1 MDRout=1, IRin=1
（２）
５。内总线
CPU内各种寄存器与ALU通过这组单总线连接起来进行数据传送，同 一时刻只能有一个部件往总线送数据（占据总线），但可有两个以上部件 接收数据。
二、主存接口
由地址寄存器MAR和数据缓冲寄存器MDR组成。CPU与主存之间 的信息交换，都是通过这两个寄存器来完成的。
１。地址寄存器MAR
CPU对主存进行读/写操作时，首先把要访问单元的地址送入MAR，经 存储地址总线（ABUS）送往主存。MAR中存放的是主存地址信息。 MAR→ABUS→M
§5.3 指令执行流程
5.3.1 运算指令执行流程
〔例１〕ADD R1，R2 行流程
解：
第一阶段 取指周期
(R1)+(R2) →R2，加法指令执
对应微操作控制信号
步骤 （１）
（２） （３）
第四阶段 执行周期
PC→MAR , PCout=1, MARin=1, WE=0（读内存） PC+1→PC, PC+1=1 M→DBUS→MDR→IR, MDRout=1, IRin=1 R1→LA R2→LB LA+LB→Z→R2 R1out=1, LAin=1 R2out=1, LBin=1 S3 S2 S1 S0 M Cn =1 0 0 1 0 0 直传＝１，Ｚout=1, R2in=1
（6）
5.3.2 传送指令执行流程 （限定存储器与存储器之间不能传送）
〔例3〕MOV R1, mem,
解：
第一阶段 取指周期
(R1) →mem,
对应微操作控制信号
步骤 （１）
（２） （３） （4 ）
PC→MAR , PCout=1, MARin=1, WE=0（读内存） PC+1→PC, PC+1=1 M→DBUS→MDR→IR, MDRout=1, IRin=1 IR(mem)(地址段）→MAR, IRout=1, MARin=1 R1→MDR→DBUS→M R1out=1, MDRin=1 , WE=1(写）
第五章 (P161)
中央处理器（CPU）
中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件，它 包括运算器和控制器两大部分。运算器在前面第二章已 学习过，本章重点研究控制器的组成与设计原理。
§5.1
基本概念
图9—1为单总线CPU的结构，它是在历史上著名的 PDP—11系列小型机基础上简化得到的教学模型结构，实际 机器要比它复杂得多。图上划分为三大部分，左边部分是 CPU的控制器，中间部分是运算器，右边部分为CPU与主 存储器的接口及主存。
R1out R1in„ Rnout Rnin 同理。 PCout、PCin、SPout、SPin、MDRout、MDRin同理。 IRin、LAin、 LBin、MARin只有输入控制。 S3 S2 S1 S0 M Cn是181芯片的控制信号。 PC + 1、SP + 1、SP－1是本部件加1和减1功能的控制信号。 移位器Z，在左移、右移和直传控制信号控制下完成相应操作。 Zout为输出控制。IRout为指令地址部分输出控制信号
微操作信号 指令 操作码 指令译码器
微操作 产生部件
： ： ：
时序信号
（送机内 各相应部 件）
指令译码器
操作码
操作数地址码
指令代码 指令寄存器IR 程序计数器PC
指令地址 计数 接数
内存
脉冲 信号源 时序信号发生器
节拍电位 机器周期
机器周期 节拍电位
… … … … …
时钟脉冲
微操作产生部件根据设计思想的不同，可分为三种控制器：
（２） M→DBUS→MDR→IR, （３） PC→LA, （４） IR(mem) →LB, （５） LA+LB→Z→PC
§5.4 微程序控制器(P170)
5.4.1 微程序控制的基本概念
微程序控制的概念，最早是由英国剑桥大学教授M.V.Wikes在 1951年提出的，经历种种演变，在只读存储器技术成熟后得到了非 常广泛的应用。
图9－1 单总线CPU的结构
一、运算器及内总线
运算器主要由各种寄存器、移位器和ALU组成。它是具体负责对数 据进行加工处理的部件。
1。通用寄存器组（GR）
通用的含义是指寄存器的功能有多种用途，它可作为ALU的累加器、 变址寄存器、地址指针、指令计数器、数据缓冲器等，用于存放操作数 （包括源操作数、目的操作数）、运算结果、中间结果和各种地址信息 等。现代计算机的CPU都采用通用寄存器组结构并且是双端口的。 在指令系统中为这组寄存器分配编号，可以编程访问某个指定的 寄存器。
5.2.1 指令执行分析
取指令，第一阶段
第二阶段 取操作数，第三阶段 执行指令，第四阶段
5.2.2 指令执行周期
通常将一条指令从取出到执行完成需要的时间称为指令周期。
1. 取指周期：完成取指令操作。（第一阶段） 2. 取操作数周期：根据寻址方式完成取操作数。（第三阶段） 3. 执行周期：完成指令的执行操作。（第四阶段）
２。指令寄存器(IR)，Instruction Register
存放当前正在执行的指令。IR为微操作产生部件提供各种输入信息，以 产生不同指令所需的微操作控制信号。在IR中的指令要保存到该指令执行完 毕为止。
３。指令和地址译码器
指令译码器对指令的操作码进行译码，又称操作码译码器。它的输出 送到微操作产生部件。 地址译码器对指令的寻址方式字段、地址字段进行译码，提供操作数 的地址信息。
（１）组合逻辑控制器：用组合逻辑电路的设计方法来设计微操作产 生 部件。 （２）ＰＬＡ控制器：用PLA（可编程逻辑阵列）电路实现。 （３）微程序控制器：用程序设计的方法来设计微操作产生部件，称 为“存储逻辑”。 “硬连线控制器”
四、计算机工作原理示意图
取指令
执行指令
程序、原始数据
输入装置
计数
接数
运行结果
输出装置
程序计数器 PC
数 据
指 令 地 址
内存
指 令 读/写
运算器
操 作 码 指令译码器 指令寄存器IR 操 作 数 地 址
所 有 控 制 信 号 ， 送 机 内 各 部 件
程 序 首 地 址
操作数地址
转移地址
时序 电路
微 操 作 产 生 部 件
. . . . .