第五章 中央处理器(1)精品PPT课件
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运算、存结果等操作。
–访存操作的时间最长。 –CPU周期：通常规定为从主存读取
一个（指令）字的最短时间。
2 指令周期
• 时钟周期（即节拍脉冲或T周期）
三级
–用若干T周期表示一个持续时间较长
时序 信号
的控制信号。
–用一个T周期表示寄存器打入信号的
一段典型指令
地址（8进制） 020 021 022 023 02... 4 030 031 ...
第五章 中央处理器(1)
CPU的功能和组成 指令周期 时序产生器和控制方式 微程序控制器 微程序设计技术 硬布线控制器
5.1 CPU的功能和组成
• CPU（中央处理器）的功能 – 问题 → 程序(指令序列) → 装入内存 – CPU自动取指令、分析指令、执行指令，再取
下一条指令。
– 基本功能 控制器 • 指令控制
节拍脉冲数，
• 所有指令的执行周期，包含等个数的节拍电位。 • 会怎么样？
–简单操作只用了节拍电位中前面几个节
拍脉冲，后面的浪费了。
同步控制的另一种方案
• 大多数操作使用固定的节拍电位(即包含固定个
数的节拍脉冲，如4个) 。
• 如某些操作需要较长的节拍电位，则使节拍电
位包含更多的节拍脉冲，如5个、6个或更多。
WE’ RD’
18-20
产生的节拍电位和节拍脉冲信号
C4 C1 C2 C3
RD
WR T1 T2 T3 T4
怎样设计时序信号？
• 每个指令需要多少个CPU周期(机器周期)？
每个CPU周期需要多少个T周期(时钟周期)？
• 指令周期中的CPU周期个数是否不变？ • 每个CPU周期中的T周期个数是否不变？ • 是否所有指令的指令周期都包含等个数的
指令（助记符） CLA
ADD 30 STA 40
NOP JMP 21
000 006 000 040
非访内指令 访内的运算指令 访内的传送指令 非访内指令 程序控制指令
CLA指令的指令周期
play 第2节拍可能有T
周期浪费！
CLA的取指令阶段（取指令 + 译码）
7
6
5 4
2 1 3
CLA的执行阶段
DR→IR R2→Y
DRo, G, IRi ADD R2, R0 R2o, G, Yi
R0→X R0o, G, Xi
X+Y→R0 +, G, R0i
PC→AR
M→DR
DR→IR R3→Y
SUB R1, R3 R3o, G, Yi
R1→X R1o, G, Xi
Y - X→R3 ﹣, G, R3i
5.3 时序产生器和控制方式
1 2
ADD指令的指令周期
play
ADD指令的第2个CPU周期
1
ADD指令的第3个CPU周期
4 33
2 1
STA指令的指令周期
play
STA指令的第3个CPU周期
4 1
3
2
JMP指令的指令周期
play
JMP指令的第2个CPU周期
1 2
五条指令的执行过程
play
用方框图表示的指令周期
CPU周期？
5.3.3 控制方式
• 同步控制方式
–一条指令在任何情况下的执行，总包含
固定不变的机器周期数(节拍电位数)， 每个机器周期中总包含固定不变的时钟 周期数(节拍脉冲数)。
同步控制的一种方案
• 在“主状态周期-节拍电位-节拍脉冲”三级时序信号
下，
• 固定主状态周期中的节拍电位数，固定节拍电位中的
– 程序的顺序控制。负责确定下一条指令的地址。
• 操作控制
– 执行一条指令，就是发出一些控制信号给有关部件。
运算器 • 时间控制
– 这些控制信号有时间规定，哪个早一些，哪个晚一些。
控制器 运算器
CPU的基本功能
–指令控制 • 确定下一条指令的地址。
–操作控制 • 分析指令，并发出控制信号给
有关部件。
–一个主状态周期，包含若干节拍电位； –一个节拍电位，包含若干节拍脉冲。 –节拍电位对应CPU周期。 • 微程序控制器中，采用节拍电位-节拍脉冲
体制。
RD
怎时么序产信生有号序发的方生波器？
WR
T1
T2
RD WR T1 T2 T3 T4
T3
T4
启停控制逻辑
RD。 WR。 T1。 T2。 T3。 T4。
决定)
• 时序信号
–控制器发出各种操作信号的时间依据！
5.3 时序产生器和控制方式
• 时序信号的基本体制
–电位-脉冲制 • 数据或指令的二进制信号以电位形式
送寄存器；
• 寄存器的寄写存入器 ，由写脉入冲脉冲信号触发。
数据字或指令字
时序信号的两种实现
• 硬布线控制器中，采用主状态周期-节拍电
位-节拍脉冲体制
节拍脉冲和读写时序移码逻辑
RD’ WR’
有序的方波
环形脉冲发生器
Ф 时钟脉冲源
产生频率稳定的方波
H L
C1
Q Q非 1
D^
+5V
C2
Q Q非 2
D^
Ф1 2 3 CLR
C3
Q Q非
3 D^
CLR Ф
环形脉冲 发生器的 基本电路
时RD序 产C2 生RD器' 及W移E 码 C逻3 W辑E'
WE RD WE RD
• CPU怎么区分主存送来的是指
令，还是数据？
–送指令寄存器的是指令，送
ALU的是数据。
–在指令周期的第1个CPU周
期，收到的是指令！
空间上的区别 时间上的区别
5.3 时序产生器和控制方式
• 操作控制器发出的控制信号，都是时空信号。
–空间信号 • 发送到哪个部件的哪个引脚。(硬件连
线决定)
–时间信号 • 什么时间发送这个信号。(操作控制器
• 对不同指令，固定其占用的节拍电位数，如2个、
3个或更多。
同步控制的第3种方案
• 中央控制和局部控制的结合
–为大多数操作设计固定的CPU周期； –少数复杂操作（如访问存储器）用
“应答”信号确定操作结束。
同步控制方式的特点
• 任一条指令，分为“取指”、“操作1”、“操作
–时间控制 • 使有的控制信号早一些，有的
晚一些。
CPU的基本组成
运算结果状态
控制数据通 路、启停部 件操作
操作 控制 信号
play
5.2 指令周期 • 什么是指令周期？
–取指令，译码，发出操作控制信号；再取
下一条指令。
play
5.2 指令周期
• 什么是CPU周期（即机器周期）？
–指令周期包括取指令、取操作数、
CPU周期
ABUS：地址总线 DBUS：数据总线
CPU周期
CPU周期
公操作 play
5.2 指令周期
• 例：根据部件间总线连接，列出ADD和SUB的微
操作控制信号序列
ADD R2, R0和SUB R1, R3的控制信号序列 • 例：
取指
PC→AR PCo, G, ARi
M→DR R/W\ = R
–访存操作的时间最长。 –CPU周期：通常规定为从主存读取
一个（指令）字的最短时间。
2 指令周期
• 时钟周期（即节拍脉冲或T周期）
三级
–用若干T周期表示一个持续时间较长
时序 信号
的控制信号。
–用一个T周期表示寄存器打入信号的
一段典型指令
地址（8进制） 020 021 022 023 02... 4 030 031 ...
第五章 中央处理器(1)
CPU的功能和组成 指令周期 时序产生器和控制方式 微程序控制器 微程序设计技术 硬布线控制器
5.1 CPU的功能和组成
• CPU（中央处理器）的功能 – 问题 → 程序(指令序列) → 装入内存 – CPU自动取指令、分析指令、执行指令，再取
下一条指令。
– 基本功能 控制器 • 指令控制
节拍脉冲数，
• 所有指令的执行周期，包含等个数的节拍电位。 • 会怎么样？
–简单操作只用了节拍电位中前面几个节
拍脉冲，后面的浪费了。
同步控制的另一种方案
• 大多数操作使用固定的节拍电位(即包含固定个
数的节拍脉冲，如4个) 。
• 如某些操作需要较长的节拍电位，则使节拍电
位包含更多的节拍脉冲，如5个、6个或更多。
WE’ RD’
18-20
产生的节拍电位和节拍脉冲信号
C4 C1 C2 C3
RD
WR T1 T2 T3 T4
怎样设计时序信号？
• 每个指令需要多少个CPU周期(机器周期)？
每个CPU周期需要多少个T周期(时钟周期)？
• 指令周期中的CPU周期个数是否不变？ • 每个CPU周期中的T周期个数是否不变？ • 是否所有指令的指令周期都包含等个数的
指令（助记符） CLA
ADD 30 STA 40
NOP JMP 21
000 006 000 040
非访内指令 访内的运算指令 访内的传送指令 非访内指令 程序控制指令
CLA指令的指令周期
play 第2节拍可能有T
周期浪费！
CLA的取指令阶段（取指令 + 译码）
7
6
5 4
2 1 3
CLA的执行阶段
DR→IR R2→Y
DRo, G, IRi ADD R2, R0 R2o, G, Yi
R0→X R0o, G, Xi
X+Y→R0 +, G, R0i
PC→AR
M→DR
DR→IR R3→Y
SUB R1, R3 R3o, G, Yi
R1→X R1o, G, Xi
Y - X→R3 ﹣, G, R3i
5.3 时序产生器和控制方式
1 2
ADD指令的指令周期
play
ADD指令的第2个CPU周期
1
ADD指令的第3个CPU周期
4 33
2 1
STA指令的指令周期
play
STA指令的第3个CPU周期
4 1
3
2
JMP指令的指令周期
play
JMP指令的第2个CPU周期
1 2
五条指令的执行过程
play
用方框图表示的指令周期
CPU周期？
5.3.3 控制方式
• 同步控制方式
–一条指令在任何情况下的执行，总包含
固定不变的机器周期数(节拍电位数)， 每个机器周期中总包含固定不变的时钟 周期数(节拍脉冲数)。
同步控制的一种方案
• 在“主状态周期-节拍电位-节拍脉冲”三级时序信号
下，
• 固定主状态周期中的节拍电位数，固定节拍电位中的
– 程序的顺序控制。负责确定下一条指令的地址。
• 操作控制
– 执行一条指令，就是发出一些控制信号给有关部件。
运算器 • 时间控制
– 这些控制信号有时间规定，哪个早一些，哪个晚一些。
控制器 运算器
CPU的基本功能
–指令控制 • 确定下一条指令的地址。
–操作控制 • 分析指令，并发出控制信号给
有关部件。
–一个主状态周期，包含若干节拍电位； –一个节拍电位，包含若干节拍脉冲。 –节拍电位对应CPU周期。 • 微程序控制器中，采用节拍电位-节拍脉冲
体制。
RD
怎时么序产信生有号序发的方生波器？
WR
T1
T2
RD WR T1 T2 T3 T4
T3
T4
启停控制逻辑
RD。 WR。 T1。 T2。 T3。 T4。
决定)
• 时序信号
–控制器发出各种操作信号的时间依据！
5.3 时序产生器和控制方式
• 时序信号的基本体制
–电位-脉冲制 • 数据或指令的二进制信号以电位形式
送寄存器；
• 寄存器的寄写存入器 ，由写脉入冲脉冲信号触发。
数据字或指令字
时序信号的两种实现
• 硬布线控制器中，采用主状态周期-节拍电
位-节拍脉冲体制
节拍脉冲和读写时序移码逻辑
RD’ WR’
有序的方波
环形脉冲发生器
Ф 时钟脉冲源
产生频率稳定的方波
H L
C1
Q Q非 1
D^
+5V
C2
Q Q非 2
D^
Ф1 2 3 CLR
C3
Q Q非
3 D^
CLR Ф
环形脉冲 发生器的 基本电路
时RD序 产C2 生RD器' 及W移E 码 C逻3 W辑E'
WE RD WE RD
• CPU怎么区分主存送来的是指
令，还是数据？
–送指令寄存器的是指令，送
ALU的是数据。
–在指令周期的第1个CPU周
期，收到的是指令！
空间上的区别 时间上的区别
5.3 时序产生器和控制方式
• 操作控制器发出的控制信号，都是时空信号。
–空间信号 • 发送到哪个部件的哪个引脚。(硬件连
线决定)
–时间信号 • 什么时间发送这个信号。(操作控制器
• 对不同指令，固定其占用的节拍电位数，如2个、
3个或更多。
同步控制的第3种方案
• 中央控制和局部控制的结合
–为大多数操作设计固定的CPU周期； –少数复杂操作（如访问存储器）用
“应答”信号确定操作结束。
同步控制方式的特点
• 任一条指令，分为“取指”、“操作1”、“操作
–时间控制 • 使有的控制信号早一些，有的
晚一些。
CPU的基本组成
运算结果状态
控制数据通 路、启停部 件操作
操作 控制 信号
play
5.2 指令周期 • 什么是指令周期？
–取指令，译码，发出操作控制信号；再取
下一条指令。
play
5.2 指令周期
• 什么是CPU周期（即机器周期）？
–指令周期包括取指令、取操作数、
CPU周期
ABUS：地址总线 DBUS：数据总线
CPU周期
CPU周期
公操作 play
5.2 指令周期
• 例：根据部件间总线连接，列出ADD和SUB的微
操作控制信号序列
ADD R2, R0和SUB R1, R3的控制信号序列 • 例：
取指
PC→AR PCo, G, ARi
M→DR R/W\ = R