计算机组成原理第5章.ppt
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第五章第五章中央处理器中央处理器15.1CPU5.1CPU的结构与工作原理的结构与工作原理一、一、CPUCPU的功能与结构的功能与结构11、CPUCPU的功能的功能*指令控制:
指令控制:
程序执行过程程序执行过程主存主存MMMM控制器控制器CPUCPU运算器运算器I/OI/O设备设备中中断断请请求求取指阶段取指阶段执行阶段执行阶段时间时间控制信号的控制信号的状态状态指令地址指令地址+1+1、时长及次序时长及次序*操作控制:
操作控制:
*时间控制:
时间控制:
*数据加工:
数据加工:
*中断处理:
中断处理:
222、CPUCPU的基本结构的基本结构*CPU*CPU基本结构:
基本结构:
寄存器、运算器,寄存器、运算器,CUCU、BIUBIU、中断机构,通路、中断机构,通路*CPU*CPU功能与组成部件:
功能与组成部件:
指令控制指令控制操作控制操作控制时间控制时间控制数据加工数据加工中断处理中断处理时序系统、控制信号形成电路;时序系统、控制信号形成电路;PCPC、IRIR、指令译码器、指令译码器IDID;ALUALU及状态及状态REGREG、REGREG组;组;中断机构。
中断机构。
中断中断机构机构PCPCIRIR译码器译码器IDID时序系统时序系统控制信号控制信号形成电路形成电路ALUALU状态状态REGREGMARMARMDRMDR总线总线逻辑逻辑REG0REG0REG(n-1)REG(n-1)CCPPUU内内部部数数据据通通路路BIUBIUCUCU333、CPUCPU的寄存器组织的寄存器组织有有用户可见寄存器用户可见寄存器和和控制控制/状态寄存器状态寄存器两大类。
两大类。
*用户可见寄存器:
用户可见寄存器:
-存放地址及数据存放地址及数据条件码条件码REGREG数据数据REGREG地址地址REGREG通用通用REGREG4*控制控制/状态寄存器:
状态寄存器:
-控制控制CPUCPU的操作或运算的操作或运算PCPC存放存放指令地址指令地址,作循环变量使用,作循环变量使用,通常具有计数功能通常具有计数功能;顺序型指令顺序型指令占绝大多数占绝大多数IRIR存放存放当前当前指令内容指令内容;MARMAR存放存放CPUCPU所访问存储单元或所访问存储单元或I/OI/O设备的设备的地址地址;MDRMDR存放存放CPUCPU欲写出或已读入的欲写出或已读入的信息信息(数据或指令数据或指令);程序状态字程序状态字REG(PSW)REG(PSW)存放存放程序执行状态程序执行状态;其他其他REGREG如段如段REGREG、系统模式、系统模式REGREG等等35二、二、CPUCPU的工作流程的工作流程*指令周期:
指令周期:
CPUCPU取出并执行一条指令的时间。
取出并执行一条指令的时间。
取指周期取指周期执行周期执行周期取指阶段取指阶段执行阶段执行阶段(取指、分析取指、分析)()(执行指令执行指令)指令周期指令周期*指令周期的特征:
指令周期的特征:
不同不同指令类型指令类型及及寻址方式寻址方式的指令周期可能不同。
的指令周期可能不同。
间址周期间址周期取指周期取指周期执行周期执行周期指令周期指令周期加法指令加法指令:
(间接寻址间接寻址)加法指令加法指令:
(直接寻址直接寻址)取指周期取指周期执行周期执行周期取指周期取指周期执行周期执行周期指令周期指令周期指令周期指令周期乘法指令乘法指令:
(直接寻址直接寻址)6三、指令执行过程三、指令执行过程11、指令的执行过程、指令的执行过程*取指令阶段:
取指令阶段:
取指令取指令操作步骤操作步骤分析指令分析指令结果结果PCPCMARMAR访问访问MEMMEMMDRMDRIRIR;+“11”PCPC*执行指令阶段:
执行指令阶段:
操作步骤操作步骤7指令执行过程的特征:
指令执行过程的特征:
指令执行过程由若干指令执行过程由若干有序有序的的操作操作组成;组成;取指令阶段的取指令阶段的操作及步骤操作及步骤基本上基本上是是通用的通用的;执行指令阶段的执行指令阶段的操作及步骤操作及步骤受受指令格式指令格式的影响的影响取指令阶段取指令阶段和和执行指令阶段执行指令阶段的操作的操作必须取得必须取得操作类型操作类型/操作数长度、寻址方式操作数长度、寻址方式多字长指令的地址码多字长指令的地址码可可可可放在放在执行指令阶段取执行指令阶段取如操作类型、操作数长度、寻址方式、指令字长如操作类型、操作数长度、寻址方式、指令字长822、指令执行过程与、指令执行过程与CPUCPU的基本操作的基本操作*指令执行过程:
指令执行过程:
由若干由若干有序有序的的基本操作基本操作组成组成*CPU*CPU的基本操作类型:
的基本操作类型:
由由CPUCPU结构及指令执行过程确定结构及指令执行过程确定RREEGG间间传传送送存存储储器器读读存存储储器器写写算算逻逻运运算算RR源源11及及RR源源22ALU(ALU(运算运算)RR结果结果RR源源RR目标目标;MARMARMEM(MEM(读读)MDRMDR;MARMAR及及MDRMDRMEM(MEM(写写);例例11指令指令R1(R0)R1(R0)执行过程的执行过程的CPUCPU基本操作序列:
基本操作序列:
解解:
PCMARPCMAR存储器读,存储器读,(PC)(PC)1PC1PCMDRIRMDRIRR0MARR0MAR存储器读存储器读MDRR1MDRR139933、CPUCPU的基本操作与微操作的基本操作与微操作*术语:
术语:
微操作微操作CPUCPU内部的内部的原子操作原子操作(不能再细化的操作不能再细化的操作);微操作序列微操作序列有序排列的有序排列的微操作串微操作串
(1)
(1)寄存器间数据传送操作寄存器间数据传送操作*操作步骤:
操作步骤:
利用利用CPUCPU内部数据通路内部数据通路直接实现数据传送;直接实现数据传送;
(2)
(2)存储器读操作存储器读操作*操作步骤:
操作步骤:
发地址信号、发读信号,发地址信号、发读信号,等待操作完成、接收数据;等待操作完成、接收数据;*微操作序列:
微操作序列:
1Read1Read;实现;实现MARMARABusABusABusABus、ReadReadCBusCBusCBusCBus操作操作M(MAR)MDRM(MAR)MDR;实现等待完成、;实现等待完成、DBusDBusDBusDBusMDRMDR操作操作*微操作序列:
微操作序列:
RR源源RR目标目标310(3)(3)存储器写操作存储器写操作*操作步骤:
操作步骤:
发地址信号、发写信号,发送数据、等待操作完成;发地址信号、发写信号,发送数据、等待操作完成;*微操作序列:
微操作序列:
1Write1Write;实现;实现MARMARBusBusBusBus、WriteWriteCBusCBusCBusCBus操作操作MDRM(MAR)MDRM(MAR);实现;实现MDRMDRDBusDBusDBusDBus、等待完成操作、等待完成操作11(4)(4)算术逻辑运算操作算术逻辑运算操作*操作需求:
操作需求:
ALUALUALUALU为组合逻辑部件为组合逻辑部件为组合逻辑部件为组合逻辑部件运算过程中,运算过程中,入端入端数据稳定数据稳定,运算结束时,运算结束时,出端出端数据存到稳定部件数据存到稳定部件;*微操作序列:
微操作序列:
RR源源11ALUALU;RR源源可为可为MDRMDRRR源源22ALUALU;RR源源11、RR源源22的数据通路不冲突时,可并行的数据通路不冲突时,可并行OPALUOPALU;OPOP种类由种类由ALUALU功能决定功能决定ALURALUR结果结果;RR结果结果可与可与RR源源为同一寄存器为同一寄存器*操作步骤:
操作步骤:
22个源寄存器数据送个源寄存器数据送ALUALU入端并保持,入端并保持,向向ALUALU发运算命令,运算后数据送结果寄存器;发运算命令,运算后数据送结果寄存器;REGREG组组ALUALU12例例22指令指令R1(R0)R1(R0)执行过程的微操作序列:
执行过程的微操作序列:
解:
解:
PCMARPCMAR1Read1Read,(PC)(PC)1PC1PCM(MAR)MDRM(MAR)MDRMDRIRMDRIRR0MARR0MAR1Read1ReadM(MAR)MDRM(MAR)MDRMDRR1MDRR1例例33指令指令R2(R0)+(R1)R2(R0)+(R1)执行过程的微操作序列:
执行过程的微操作序列:
解:
解:
PCMARPCMAR1Read1Read,(PC)(PC)1PC1PCM(MAR)MDRM(MAR)MDRMDRIRMDRIRR0ALUR0ALUR1ALUR1ALUADDALUADDALUALUR2ALUR2161513四、数据通路组织四、数据通路组织*数据通路:
数据通路:
是是CPUCPU内部部件间内部部件间传递数据传递数据的的物理通道物理通道,有总线通路、专用通路两种;有总线通路、专用通路两种;*数据通路对指令执行过程的影响:
数据通路对指令执行过程的影响:
微操作序列微操作序列微操作步序列微操作步序列数据通路数据通路决定了步数;决定了步数;*术语:
术语:
微操作步微操作步能够能够并行执行的并行执行的微操作;微操作;微操作步序列微操作步序列有序排列的有序排列的微操作步串微操作步串*指令执行性能:
指令执行性能:
指令执行过程指令执行过程微操作序列微操作序列所对应所对应微操作步序列微操作步序列的的执行时间执行时间数据通路的影响数据通路的影响决定了决定了指令执行性能指令执行性能,影响影响运算器组织方法运算器组织方法31411、总线数据通路、总线数据通路有单总线通路、双总线通路等多种类型。
有单总线通路、双总线通路等多种类型。
(1)
(1)单总线数据通路单总线数据通路*连接方式:
连接方式:
各部件的各部件的输入输入/输出引脚输出引脚连接到连接到同一条总线同一条总线上;上;*微操作特性:
微操作特性:
同时只能执行同时只能执行一个一个一个一个数据传送操作,数据传送操作,即即连续的连续的数据传送操作数据传送操作必须必须串行执行串行执行;REG0REG0REG7REG7ALUALUYYZZMARMARMDRMDRPCPCIRIRBIUBIU操作信号操作信号形成电路形成电路IDID时序时序系统系统中中断断机机构构基于寄存器的基于寄存器的CPUCPU结构结构ALUALUACACMARMARMDRMDRBIUBIU基于累加器的基于累加器的CPUCPU结构结构YYPCPCIRIR操作信号操作信号形成电路形成电路IDID时序时序系统系统中中断断机机构构1533、单总线通路、单总线通路CPUCPU的指令执行过程的指令执行过程以基于以基于REGREG的的CPUCPU为例,假设为例,假设PCPC具有计数功能具有计数功能*例例22单字长的取数指令单字长的取数指令R1(R0)R1(R0)的微操作步序列:
的微操作步序列:
t1t1:
PCMARPCMAR,1Read1Read;用;用(PC)(PC)读读MEMMEMt2t2:
(PC)+1PC(PC)+1PC,M(MAR)MDRM(MAR)MDR;(PC)+(PC)+“11”t3t3:
MDRIRMDRIR;指令;指令IRIRt1t1t3t3:
略略t4t4:
R0MARR0MAR,1Read1Read;用;用(R0)(R0)读读MEMMEMt5t5:
M(MAR)MDRM(MAR)MDR;等待操作完成;等待操作完成t6t6:
MDRR1MDRR1,1End1End;数据;数据R1R1*例例11取指令阶段的微操作步序列:
取指令阶段的微操作步序列:
对所有指令通用对所有指令通用注:
注:
PCMARPCMAR与与1Read1Read可放在可放在同一步同一步(MAR(MAR仅起传递作用仅起传递作
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- 关 键 词:
- 计算机 组成 原理