第五章中央处理器.ppt
《第五章中央处理器.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第五章中央处理器.ppt(164页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、2019年2月18日11时53分,第五章 中央处理器,2019年2月18日11时53分,第五章 中央处理器,CPU的功能和组成 (掌握) 指令周期(掌握) 时序产生器和控制方式(理解) 微程序控制器(掌握) 微程序设计技术(掌握) 硬布线控制器(理解) CPU的新技术(理解),教学要求,课堂上注意听讲、重要的是理解 课堂外一定要看书复习或预习、完成作业,2019年2月18日11时53分,5.1 CPU的功能和组成,什么是CPU? 所谓中央处理器是控制计算机来自动完成取出指令和执行指令任务的部件。它是计算机的核心部件,通常简称为CPU。,CPU的基本组成 中央处理器由两个主要部分控制器和运算器组
2、成。,2019年2月18日11时53分,控制器 由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成,它是发布命令的“决策机构”,即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。 控制器的主要功能有: 从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置。 对指令进行译码或测试,并产生相应的控制信号。 输出相应的控制信号,指挥并控制CPU,内存和I/O之间的数据流动的方向。,2019年2月18日11时53分,运算器 由算术逻辑单位(ALU)、累加寄存器(AC)、数据缓冲寄存器(DR)和状态条件寄存器(PSW)组成,它是数据加工处理部件。 相对控制器而言,运算器接受控制器的命令
3、而进行动作,即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的,所以它是执行部件。 运算器的主要功能: 执行所有的算术运算。 执行所有的逻辑运算,并进行逻辑测试。,2019年2月18日11时53分,6,2019年2月18日11时53分,CPU的功能和组成,CPU的主要寄存器,累加寄存器AC 累加寄存器AC通常简称为累加器,它的功能是:当运算器的算术逻辑单元(ALU)执行全部算术和逻辑运算时,为ALU提供一个工作区。累加寄存器是暂时存放ALU运算的结果信息。显然,运算器中至少要有一个累加寄存器。,2.指令寄存器IR 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。存放从内存中取出的指令;其中指
4、令的操作码送到指令译码器,译码后输出控制信号。,2019年2月18日11时53分,程序计数器PC 程序计数器中存放的是下一条指令在内存中的地址。 若程序顺序执行:PC PC+1;若程序有跳转:PCPC+偏移地址。,状态条件寄存器PSW 状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容,同时状态条件寄存器还保存中断和系统工作状态等信息,以便使CPU和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此,状态条件寄存器是一个由各种状态条件标志拼凑而成的寄存器。 O 溢出 D 方向 I 中断允许 T 追踪 S 符号 Z 零 A 辅助进位 P 奇偶 C 进位,2019年2月18日1
5、1时53分,CPU的功能和组成,地址寄存器AR 地址寄存器用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别,所以必须使用地址寄存器来保持地址信息,直到内存的读/写操作完成为止。,缓冲寄存器DR 缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字;反之,当向内存存入一条指令或一个数据字时,也暂时将它们存放在缓冲寄存器中。,2019年2月18日11时53分,CPU的功能,(4)数据加工: 对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理,这是CPU的根本的任务。,(1)指令控制 :程序是指令的有序集合,保证机器按规定的顺序执行程序。,(2)操作控制
6、:CPU管理并产生由内存取出的每条指 令的操作信号,并把各种操作信号送往相应的部件,从而控制这些部件按指令的要求进行动作。,(3)时间控制: 对各种操作实施时间上的控制,计算机中各种指令的操作信号均受到时间的严格控制。,2019年2月18日11时53分,5.2 指令周期,程序的执行过程:,冯.诺依曼结构的计算机执行程序的顺序: 1. 从程序首地址开始。 2. 分步执行每一条指令,并形成下条待执行指令的地址。 3. 自动地连续执行指令,直到程序的最后一条指令。,2019年2月18日11时53分,指令周期,读取指令 指令地址送入主存地址寄存器 读主存,读出内容送入指定的寄存器 分析指令 按指令规定
7、内容执行指令 不同指令的操作步骤数 和具体操作内容差异很大 检查有无中断请求 若无,则转入下一条指令的执行过程,形成下一条指令地址,指令的执行过程,2019年2月18日11时53分,指令周期的基本概念,指令周期:CPU每取出并执行一条指令,都要完成一系列的操作,这一系列操作所需用的时间通常叫做一个指令周期。,机器周期:机器周期也称为CPU周期。通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。指令周期常常用若干个CPU周期数来表示,,时钟周期: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,它是处理操作的最基本单位)。这些时钟周期的总和则规定了一个CPU周期的时间宽度。
8、,2019年2月18日11时53分,2019年2月18日11时53分,15,取指周期 执行周期,5.2.2 MOV指令的指令周期,2019年2月18日11时53分,5.2.2 MOV指令的指令周期取指,2019年2月18日11时53分,5.2.2 MOV指令的指令周期执行,2019年2月18日11时53分,5.2.3 LAD指令的指令周期,取指周期 执行周期,2019年2月18日11时53分,5.2.3 LAD指令的指令周期,2019年2月18日11时53分,5.2.5 ADD指令的指令周期,2019年2月18日11时53分,5.2.5 ADD指令的指令周期,2019年2月18日11时53分,
9、5.2.5 STO指令的指令周期,2019年2月18日11时53分,5.2.5 STO指令的指令周期,2019年2月18日11时53分,5.2.6 JMP指令的指令周期,2019年2月18日11时53分,5.2.6 JMP指令的指令周期,2019年2月18日11时53分,5.2.7 用方框图语言表示指令周期,引入目的主要是为了教学目的(控制器设计) 方法: 指令系统设计(模型机的五指令系统) 方框按CPU周期 方框内内容数据通路操作或控制操作 菱形符号判别或测试 公操作 前边所讲述的5种操作的框图描述,2019年2月18日11时53分,5.2.7 用方框图语言表示指令周期,取指,执行,2019
10、年2月18日11时53分,例:如图所示为双总线结构机器的数据通路,IR为指令寄存器,PC为程序计数器(具有自增功能),M为主存(受R/W信号控制),AR为地址寄存器,DR为数据缓冲寄存器, ALU由加、减控制信号决定完成何种操作,控制信号G控制的是一个门电路。另外,线上标注有小圈表示有控制信号,例中yi表示y寄存器的输入控制信号,R1o为寄存器R1的输出控制信号,未标字符的线为直通线,不受控制。 1.“ADD R2,R0”指令完成(R0)+(R2)R0功能操作。假设该指令的地址已放入PC中。 2.“SUB R1,R3”指令完成(R3)-(R1)R3的功能操作。,2019年2月18日11时53分
11、,微操作信号,微操作信号,2019年2月18日11时53分,5.2.7 用方框图语言表示指令周期,ALU0,ALU0,2019年2月18日11时53分,操作控制器和时序产生器 数据通路:通常把许多寄存器之间传送信息的通路称 为“数据通路”。 2. 操作控制器:根据指令操作码和时序信号,产生各种 操作信号,以便正确建立数据通路,从而完成取指令和执 行指令的操作。 3. 时序产生器:因为计算机高速地进行工作,每一个动 作的时间是非常严格的,不能有任何差错。时序产生器的 作用,就是对各种操作实施时间上的控制。,2019年2月18日11时53分,时序产生器和控制方式,时序信号的作用和体制 计算机的协调
12、动作需要时间标志,而时间标志则是用时序信号来体现的。 操作控制器发出的各种控制信号都是时间因素(时序信号)和空间因素(部件位置)的函数。 组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是电位-脉冲制。,2019年2月18日11时53分,根据设计方法不同,操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型三种。 1.硬布线控制器 是采用时序逻辑技术来实现的; 2.微程序控制器 是采用存储逻辑来实现的; 3.前两种方式的组合,2019年2月18日11时53分,时序产生器和控制方式,硬布线控制器中 时序信号采用主状态周期节拍电位节拍脉冲 三级体制。,2019年2月18日11时53分
13、,时序产生器和控制方式,主状态周期(指令周期):包含若干个节拍周期,可以用一个触发器的状态持续时间来表示。 节拍电位(机器周期):表示一个CPU 周期的时间,包含若干个节拍脉冲,表示较大的时间单位。 节拍脉冲(时钟周期):表示较小的时间单位。,2019年2月18日11时53分,2019年2月18日11时53分,微程序控制中 时序信号采用节拍电位节拍脉冲二级体制。,触发器,数据,电位,控制信号,脉冲,数据准备好后,以电位的方式送触发器(可执行保存), 当控制信号来到后进用一个脉冲信号即可把数据装入触发器。,2019年2月18日11时53分,2019年2月18日11时53分,时序产生器和控制方式,
14、微程序控制器时序信号产生器的组成 时钟源 环形脉冲发生器 节拍脉冲和读/写时序的译码 启停控制逻辑,2019年2月18日11时53分,时序产生器和控制方式,启停控制逻辑,节拍脉冲和对时序译码逻辑,环形脉冲发生器,IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4,IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4,MERQ,IORQ,RD,WR,时钟脉冲源,时钟脉冲源,环形脉冲发生器,节拍脉冲和对时序译码逻辑,启停控制逻辑,用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。有石英晶体振荡器组成。,产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列。通常采用循环移位寄存器。,2019年2
15、月18日11时53分,环形脉冲发生器,2019年2月18日11时53分,节拍电位与节拍脉冲时序关系图,2019年2月18日11时53分,2019年2月18日11时53分,2019年2月18日11时53分,时序产生器和控制方式,控制方式 同步控制方式:在任何情况下,已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的。 采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。这意味这所有指令周期具有相同的节拍电位和相同的节拍脉冲数。 采用不定长的机器周期。 中央控制和局部控制相结合。 中央控制:就是将大部分指令安排在固定的机器周期完成。 局部控制:对少数复杂的指令采用另外的时序进行定时。,2019年2
16、月18日11时53分,时序产生器和控制方式,同步控制方式:,时钟,微操作信号1,微操作信号2,2019年2月18日11时53分,时序产生器和控制方式,异步控制方式: 每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就占用多少时间。这意味着每条指令的指令周期可由多少不等的机器周期数组成。,2019年2月18日11时53分,时序产生器和控制方式,异步控制方式,命令1,命令2,操作信号1,回答1,操作信号2,回答2,命令3,2019年2月18日11时53分,时序产生器和控制方式,联合控制方式: 将同步控制方式和异步控制方式相结合的方式。 情况(1) 大部分操作序列安排在固定的机器周 期中,对某些时间难以确定的
17、操作则以执行部件的“回答”信号作为本次操作的结束; 情况(2) 机器周期的节拍脉冲数固定,但是各条指令周期的机器周期数不固定。,2019年2月18日11时53分,小 结,控制器的组成: 指令部件 程序计数器PC 指令寄存器 指令译码器 时序部件 脉冲源及启停逻辑 时序信号形成部件 控制方式,2019年2月18日11时53分,小结,程序计数器PC,地址形成部件,操作码 地址码,译码,微操作 信号形成,节拍发生器,时钟源,中断控制逻辑,状态寄存器,微操作信号,I/O信息 控制台信息,+1,送AR,2019年2月18日11时53分,微程序控制器,基本概念 组成 工作过程 微程序举例 微程序设计技术
18、微程序控制器的设计方法,2019年2月18日11时53分,微程序控制器,基本概念 微命令 微操作 微指令 微程序 控制存储器 微地址,2019年2月18日11时53分,微程序控制器基本概念,微程序控制器的基本思想: 将微操作控制信号按一定规则进行信息编码(代码化)形成控制字(微指令),一条机器指令对应一段“程序”,该程序存放在控制存储器中,因为“程序”的指令结果是实现一条机器指令的功能,所以称为“指令的微程序”。,2019年2月18日11时53分,微程序控制器基本概念,微命令:控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令,通常把这种控制命令称为微命令。 微操作:执行部件接受微命令后所进行的操作
19、,称为微操作。,2019年2月18日11时53分,微程序控制器基本概念,微指令:在机器的一个CPU周期中,一组实现一定操作功能的微命令的组合,构成一条微指令。 微程序:微指令序列为微程序。,2019年2月18日11时53分,微程序控制器基本概念,程序,机器指令1,机器指令2,机器指令i,机器指令n,微指令2,微指令1,微指令i,微指令n,微程序,2019年2月18日11时53分,微程序控制器基本概念,控制存储器: 用来存放实现全部指令系统的微程序。是一种高速存储器。 微地址: 人们常把全部指令的控制字存放在一个高速存储器中,即控制存储器中(简称控存),控存的一个单元的内容即控制字代表了某一个节
20、拍的一组微操作控制信号的信息,而把控存单元的地址称为“微地址”。,2019年2月18日11时53分,微程序控制器组成,微指令寄存器: 用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。 微地址转移逻辑: 自动完成修改微地址的任务。,2019年2月18日11时53分,微程序控制器原理框图,2019年2月18日11时53分,微程序控制器的工作过程实质上就是在微程序控制器的控制下,计算机执行机器指令的过程。 从控存中取出一段“取机器指令”用的微程序,称为取指微程序,这是一段公用的微操作,其首址通常放在“0”号微地址单元。该微程序完成从主存中读取机器指令并送往指令寄存器。 机器指令操作码通过微地址形成部件,产
21、生对应的微程序入口地址,并送入微地址寄存器。 逐条取出对应的微指令,每一条微指令提供一个微命令序列,控制有关的微操作。 执行完对应于一条机器指令的一段微程序后,返回到取指微程序的入口,以便取出下一条机器指令。不断重复,直至程序执行完毕。,2019年2月18日11时53分,微程序控制器微程序举例,2019年2月18日11时53分,例: R1=3 R2=5 R1+R2-R3 1、控4=1,R1-多路开关-X 控7=1,R2-多路开关-Y 2、控+=1,ALU完成3+5 3、控3=1 3+5-R3,2019年2月18日11时53分,微程序控制器微程序举例,微指令的格式:,2019年2月18日11时5
22、3分,微程序控制器微程序举例,举例:“十进制加法”指令的微程序控制的过程。 十进制加法”指令的功能是用BCD码来完成十进制数的加法运算。在十进制运算时,当相加二数之和大于9时,便产生进位,要进行加6修正;当相加二数之和小于等于9时,结果是正确的。,2019年2月18日11时53分,微程序控制器微程序举例,假定数a和b已存放在R1和R2两寄存器中,数6存放在R3寄存器中。 算法要求先进行a+b+6运算,然后判断结果有无进位;当进位标志Cy=1不减6,当Cy=0,减6,从而可以获得正确的结果。,2019年2月18日11时53分,用BCD码完成A+B运算 1、A=1000 B=1001,1000 +
23、1001 10001,有进位,修正为:,10001 + 0110 10111,2、A=0110 B=1000 A+B+6=1 0100 有进位,正确,3、A+B+6=1101 无进位,错误,修正:,1101 -0110 0111,2019年2月18日11时53分,2019年2月18日11时53分,微程序控制器微程序举例,第一条微指令,操作控制字段有五个微命令:第16位发出LDAR,将PC内容送到地址寄存器AR;第13位发出RD,第14位发出LDDR,于是内存执行读操作,从内存取出“十进制加法”指令放到DR中,第15位发出LDIR,将DR中的指令再送到指令寄存器IR中,第17位发出PC+1微命令
24、,是程序计数器加1,做好取下一条机器指令的准备。,2019年2月18日11时53分,2019年2月18日11时53分,微程序控制器微程序举例,第二条微指令,2019年2月18日11时53分,2019年2月18日11时53分,微程序控制器微程序举例,第三条微指令,2019年2月18日11时53分,2019年2月18日11时53分,微程序控制器微程序举例,第四条微指令,2019年2月18日11时53分,以上是由四条微指令序列组成的简单微程序,从这个简单的控制模型中,我们就可以看到为程序控制的主要思想及大概过程。,2019年2月18日11时53分,CPU周期与微指令周期的关系,微指令周期:读出微指令
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第五 中央处理器
链接地址:https://www.31doc.com/p-2122051.html