计算机组成原理ThePrincipleofComputer.ppt
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1、1,计算机组成原理 The Principle of Computer,主讲 陈付龙,西北工业大学计算机学院 (2007年3月),计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,2,第6章 控制系统与CPU,6.1控制器概述 6.2控制器的控制方式与时序系统 6.3CPU的总体结构 6.4模型机的总体结构 6.5组合逻辑控制器设计 6.6微程序控制器设计 6.7流水线处理技术 6.8CPU举例,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,3,6.1控制器概述,控制器是计算机的指挥和控制中心 6.1.1指令执行的基本步骤 6.1.2控制器的基本功能 6.1.3控制器的组成 6.1.4控制器的组成方式,计算机
2、组成原理,西北工业大学计算机学院,4,1.取指令 2.分析指令 (1)产生操作控制电位 (2)形成操作数的有效地址, 以进行存/取,或形成转移地址 以实现程序转移 3.执行指令,6.1.1指令执行的基本步骤,开始,取指令,PC增量PC,寻址?,计算地址,转移指令?,取操作数,执行指令,保存结果,异常/中断?,转去处理,执行转移 转向地址PC,N,N,N,Y,Y,Y,指令执行的一般流程,分析指令,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,5,程序控制原理 1、编程 2、送主存(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,执行指令,并自动转到下一条指令执行,直到程序规定的任
3、务完成。 4、程序控制由控制器承担,程序执行由运算器和外部设备具体负责,程序存储由存储器完成。,6.1.1指令执行的基本步骤,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,6,1.控制指令的正确执行 (1)指令流出控制:取指令 (PC)MAR,Read (MDR) IR (2)分析指令:指令译码器ID分析确定操作性质,判明寻址方式并形成操作数的有效地址EA (3)执行:根据分析的结果和形成的EA产生相应的操作控制信号序列,控制相应部件完成操作 (4)指令流向控制:下一条指令地址的形成控制 (PC)=本条指令的(PC)+本条指令字长 (PC)=转移的目标地址(或子程序入口地址,或中断服务程序入口地址)
4、,6.1.2控制器的基本功能,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,7,2.控制程序和数据的输入及结果的输出 3.异常情况、特殊请求的检测和处理:中断,6.1.2控制器的基本功能,输入设备,主存储器,辅助存储器,输出设备,运算器,控制器,输入,输出,程序 原始数据,运算结果,指令数据线,控制信号线,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,8,6.1.3 控制器的组成,去内存取指令或取数据,对各功能部件产生控制,PSR,地址形成部件,时序部件,指令译码器,PC,微操作信号产生器,.,.,.,.,控制器基本结构,O P 寻址方式 AC,ALU,DB,AB,GR,I/O状态信息,IR,DB,启停电
5、路,控制台,脉冲源,到MAR 或ALU,中断控制逻辑,中断源,MAR,增量,MDR,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,9,1.指令部件 指令部件应包括程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、程序状态寄存器(PSR)和地址形成部件等5个部分。 (1)程序计数器PC:指令地址寄存器,用来指出在内存中存放的将要取的指令的单元地址。传送指令地址给MAR。 (2)指令寄存器IR:指令寄存器用来存放现行指令的代码。从MDR接收指令。 (3)指令译码器ID:操作码译码器,用以产生操作性质的控制电位,并将其送到微操作(一条指令的执行过程可以分解为若干简单的基本操作,称为微操作)控制线
6、路上,在时序部件定时信号作用下,产生具体的控制操作信号。 (4)地址形成部件:根据寻址方式的不同,用来形成操作数有效地址的功能部件。,6.1.3 控制器的组成,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,10,(5)程序状态字寄存器(PSR) 存放程序状态字PSW,用来表征当前运算的状态及程序的工作方式。 如MCS-51单片机的PSW,CY(PSW.7)进位标志位。 AC(PSW.6)辅助进位(或称半进位)标志。 FO(PSW.5)由用户定义的标志位。 RS1(PSW.4)、 RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。 OV(PSW.2)溢出标志位。 由硬件置位或清零。,6.1.3 控制器的组成,计
7、算机组成原理,西北工业大学计算机学院,11,2.时序控制部件 时序控制部件就是用来产生各部件进行微操作所需要的定时控制信号的部件,保证各个微操作的执行顺序。 (1)脉冲源:利用晶体振荡器产生一定频率的主时钟脉冲(主频)。 (2)启停电路:控制机器工作的启动和停止 (3)时序信号发生器:产生机器所需的时序信号,以控制有关部件在不同的时间完成不同的微操作。,6.1.3 控制器的组成,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,12,3.微操作控制信号形成部件 (1)微操作是指计算机中最基本的操作 (2)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
8、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:用来控制中断处理的硬件逻辑。 5.控制台:实现人-机通信,6.1.3 控制器的组成,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,13,6.1.4 控制器的组成方式,微操作控制信号形成部件是控制器的核心,其产生信号的方式有三种: (1) 常规组合逻辑型(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;速度快。 不规整,可靠性低,不易修改和扩充,造价高。 (2)存储逻辑型(微程序控制逻辑法) 将程序设计的思想方法
9、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。 (3) 组合逻辑和存储逻辑结合型(可编程逻辑阵列(PLA)法) 与组合逻辑型本质相同,工艺不同; 用大规模集成电路(LSI)来实现。,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,14,6.2控制器的控制方式与时序系统,6.2.1控制方式 6.2.2时序系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,15,如何形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方法,称为控制器的控制方式。控制方式通常分为同步控制方式、异步控制方式、同异步联合控制方式三类。 1
10、.同步控制方式 又称为固定时序控制方式或无应答控制方式。任何指令的执行或指令中每个微操作的执行都受事先安排好的时序信号的控制。 每个周期状态中产生统一数目的节拍电位及时标工作脉冲。 以最复杂(微操作序列最长,执行时间最长)指令的实现需要为基准。 优点:设计简单,操作控制容易实现。 缺点:效率低。,6.2.1 控制方式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,16,2.异步控制方式 可变时序控制方式或应答控制方式。执行一条指令需要多少节拍,不作统一的规定,而是根据每条指令的具体情况而定,需要多少,控制器就产生多少时标信号。 特点:每一条指令执行完毕后都必须向控制时序部件发回一个回答信号,控制器收
11、到回答信号后,才开始下一条指令的执行。 优点:指令的运行效率高; 缺点:控制线路比较复杂。 异步工作方式一般采用两条定时控制线来实现。我们把这两条线称为“请求”线和“回答”线。当系统中两个部件A和B进行数据交换时,若A发出“请求”信号,则必须有B的“回答”信号进行应答,这次操作才是有效的,否则无效。,6.2.1 控制方式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,17,3.同步,异步联合控制方式 同步控制和异步控制相结合的方式即联合控制方式,区别对待不同指令。 一般的设计思想是,在功能部件内部采用同步式,而在功能部件之间采用异步式,并且在硬件实现允许的情况下,尽可能多地采用异步控制。,6.2.1
12、 控制方式,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,18,1. 概念 时序部件:计算机的机内时钟。它用其产生的周期状态,节拍电位及时标脉冲去对指令周期进行时间划分,刻度和标定。 指令周期:在计算机中从指令的读取到指令的执行完成,执行一条指令所需要的时间,称为指令周期。 指令周期通常由若干个CPU周期-取指周期、取数周期、执行周期、中断周期等来表示,CPU周期也称为机器周期,在每个机器周期完成一个基本操作。由于CPU内部的操作速度较快,而CPU访问一次内存所花的时间较长,通常用存储周期为基础来规定CPU周期。,6.2.2 时序系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,19,2.三级时序信号
13、周期 (1) 在一个控制阶段内均持续起作用的信号; (2) 通常用周期状态寄存器来标志和指明某某周期控制; (3) 指令周期可分为取指周期、分析周期、执行周期。 节拍 (1) 把一个机器周期分成若干个相等的时间段,每一个时间段对应一个电位信号,称节拍电位; (2) 一般都以能保证ALU进行一次运算微操作作为一拍电位的时间宽度。 时标工作脉冲 (1) 及时改变标志状态; (2) 时标脉冲的宽度一般为节拍电位宽度的1/N,只要能保证所有的触发器都能可靠地,稳定地翻转即可。,6.2.2 时序系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,20,3.三级时序信号的关系 一台计算机机内的控制信号一般均由若
14、干个周期状态,若干个节拍电位及若干个时标脉冲这样三级控制时序信号定时完成。三级时序的组合关系如图所示。,6.2.2 时序系统,P,W3,W2,W2,W0,M1,M0,周期0,周期1,节拍0,节拍1,节拍2,节拍3,脉冲,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,21,6.3CPU的总体结构,CPU=控制器+运算器 6.3.1 寄存器的设置 6.3.2数据通路结果及指令流程分析,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,22,6.3.1 寄存器的设置,1.指令寄存器IR 2.程序计数器PC 3.程序状态寄存器PSR 4.累加寄存器AC及通用寄存器GR:AC暂存操作数据和结果,GR是一组程序可访问的、
15、具有多种功能的寄存器,能提供操作数、保存中间结果、作为地址指针、基址寄存器、变址寄存器、计数器等。如Intel 8086的AX、BX、CX、DX、SP、DS、CS、ES、SS、SI、DI等。 5.地址寄存器MAR:存放所要访问的主存单元的地址(来自PC的指令的地址,或来自地址形成部件的操作数的地址) 6.数据缓冲寄存器MDR(或MBR):存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,23,6.3.2 数据通路结构及流程分析,1.单总线结构,控制信号逻辑,ID,IR,CU,IRin,时序 部件,R0,R7,R0out,R0in,R7out,R7in,PC,MA
16、R,MDR,Y,ALU,Z,PSR,PCin,PCout,MARin,MDRin,MDRout,Yin,A,B,+1,Zin,Zout,IBUS,DBUS,MEM,I/O,I/O,ABUS,R,W,GR,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,24,6.3.2 数据通路结构及流程分析,【例】在上图中,A和B 为ALU的两个输入端,且ALU可以实现A1、A B等功能,主存以字编址,每条指令 和数据均占一个主存单元。分析指令:ADD (R1),R0的操作流程。其中,源操作数在前。 分析: (1)(PC)MAR,READ,PC Y ;送指令地址,读主存 (2)MEM MDR IR,(Y)+1 Z;取
17、指令到IR,PC+1暂存于Z (3)(Z) PC ;PC+1 PC (4)(R1)MAR,READ ;送源操作数地址 (5)MEM MDR Y ;取出源操作数到Y中 (6)(Y)+(R0) Z ;执行加法运算,结果暂存于Z (7)(Z) R0 ;加法结果送回目标寄存器,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,25,FIR,6.3.2 数据通路结构及流程分析,2.双总线结构,IR,PC,R0,R1,R2,Y,TEMP,MDR,R3,ALU,ID,控 制 信 号 逻 辑,时序 部件,B,F,B,A,INC DEC ADD SUB,Gon,FPC,FR0,FR1,FR2,FR3,FMDR,FTEMP
18、,FY,IRB,PCB,R0B,R1B,R2B,R3B,MDRB,TEMPB,MEM,MAR,FMAR,R,W,DBUS,ABUS,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,26,6.3.2 数据通路结构及流程分析,【例】在上图中,F为发送总线,B为 接收总线,它们通过总线连接器G可直接连接,当Gon=1时,G被打开,B的数据可传向F;当Gon=0时,G被关闭,两总线隔离,且ALU可以实现A1、A B等功能,主存以字编址,每条指令 和数据均占一个主存单元。分析指令:ADD (R1),R0的操作流程。其中,源操作数在前。 分析:,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,27,6.4模型机的总体结构
19、,6.4.1模型机的数据通路 6.4.2模型机的指令系统 6.4.3模型机的时序系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,28,6.4.1 模型机的数据通路,控制信号逻辑,时序部件,ID,CC,CZ,IR,PC,R0,R1,R2,R3,MDR,SP,TEMP,Y,ALU,移位器,判零,CZ,CC,CZ,CPCZ,CC,CPCC,SL,EX,SR,DM,C0,M,S3,S2,S1,S0,A,B,PCB,R0B,R1B,R2B,R3B,MDRB,TEMPB,BUS1,BUS2,CPY,CPTEMP,CPSP,CPMDR,CPR3,CPR2,CPR1,CPR0,CPPC,CPIR,MAR,CPM
20、AR,MEM,R/W,I/O,MREQ,IOREQ,DBUS,ABUS,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,29,6.4.1 模型机的数据通路,ALU功能,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,30,6.4.2 模型机的指令系统,1.指令格式,OP 寻址方式 RS 寻址方式 RD,双操作数指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,源操作数,目的操作数,OP 000 备用 寻址方式 RD,单操作数指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,目的操作数,OP 位移量D,转移类指令,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,OP 000 未用 000 未用,返回/停机指令
21、,15 12 11 9 8 6 5 3 2 0,操作码=4位,共计16条指令,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,31,6.4.2 模型机的指令系统,2.指令系统,计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,32,6.4.2 模型机的指令系统,3.寻址方式 (1)寄存器寻址: 寻址方式编码000,汇编符号为Rn,n为寄存器编号 E= Rn (2)寄存器间接寻址: 寻址方式编码001,汇编符Rn或(Rn) E= (Rn) (3)自增型寄存器间接寻址: 寻址方式编码010,汇编符号(Rn)+ E=(Rn),(Rn)+1Rn (4)自减型寄存器间接寻址: 寻址方式编码011,汇编符号-( Rn) (
22、Rn)-1Rn , E=(Rn) (5)变址型寻址: 寻址方式编码100,汇编符号X( Rn ) E=X+ ( Rn ),计算机组成原理,西北工业大学计算机学院,33,6.4.2 模型机的时序系统,1.机器周期:六个机器周期,每个周期设一个周期状态触发器 (1)取指周期FT:实现取指令、分析指令和(PC)+1PC的操作 (2)取源周期ST:用于非寄存器器寻址的双操作数指令中源操作数地址的寻址和取源操作数。 (3)取目的周期DT:用于非寄存器器寻址的双操作数指令中目的操作数地址的寻址和取目的操作数。 (4)执行周期ET:完成指令规定的操作并保存结果 (5)中断周期IT (6)DMA周期DMAT,
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