第6章(中央处理器)2012

Θ时间控制：对各种操作实施时间上的控制
Θ数据加工：对数据进行算数运算和逻辑运算处理
控制器的功能就是控制指令的正确执行
中央处理器概述
指令的执行过程
How to execute instructions
MIPS instructions
• First we need to:
取指令
• Then we need to:
指令流程设计
（5）ADD AX，BUF[BX] 指令的执行流程
指令流程设计
（6） JMP LL 指令的执行流程
指令流程设计
选以下指令为例进行部分指令流程综合:
SUB AX，BX
MOV AX,[BP]
MOV AX，#8000
JMP LL
指令流程设计
指令流程设计
FIC PC→IB, ARin AR → AB,MMRD,+2PC DB→DR, DRin DR→IB, IRin
译码取操作数
• Then we need to:
执行
• Finally we need to:
计算下条指令地址
控制策略概述
中央处理器概述
Θ
单周期控制方案(Singlecycle)
Θ
多周期控制方案(Multi-cycle)
Θ
流水线控制方案(Pipeline)
例: MIPS 的Load , Store 和R型指令
通用寄存器：用于存放操作数和各种地址信息等． 暂存器：由于ALU是没有内部存储功能的组合电路，为 使运算的两个数同时进入ALU需有暂存器． 位移器：对数据进行位移运算．
数据通路的设计
状态标志寄存器（PSW） 状态标志寄存器用来存放程序状态字的。程序状态字的各位表征 程序和机器运行的状态，是参与控制程序执行的重要依据之一。它主 要包括两部分内容：一是状态标志，如：进位标志（CF）、结果为零 标志（ZF）等，大多数指令的执行将会影响到这些标志位；二是控制 标志，如：中断标志、陷阱标志等。
（１） SUB AX，BX
指令流程设计
（5）ADD AX，BUF[BX]
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现 指令系统设计
数据通路的设计
指令流程设计 控制部分的实现
控制部分的实现
控制器（CU）
根据IR的内容（指令），PSW的内容（状态信息）以及时序线路的 内容，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号． 微操作信号发生器：
Y
IRin15~0 全0 JMP LL
SUB AX，BX MOV AX,[BP] MOV AX，#8000 JMP LL
EXEC
SUB AX，BX
N MOV AX,[BP] MOV AX，#8000
BX → IB,Sin AX → IB,SUB,Tin T→ IB,AXin
BP→IB, ARin AR → AB,MMRD
操作数地址形成部件 根据指令的不同寻址方式，用来形成操 作数的有效地址，在微、小型机中，一般不 设专门的地址形成部件，而是利用运算器来 进行有效地址的计算。
数据通路的设计
译码取操作数阶段所需部件
数据通路的设计
译码取操作数阶段所需部件
数据通路的设计
执行
算数逻辑运算单元（ＡＬＵ）：进行算数和逻辑运算．
控制部分的实现
实现控制部件有两种方式：
组合逻辑控制
微程序控制 本模型机例子选择微程序法实现控制器
有关微程序概念见课件的附录二部分
微程序控制器的实现
１.微命令编码
（控制信号的存储方式）
模型机系统数据通路中共有以下 68 位控制信号：
微程序控制器的实现
采用字段直接编译法:
分段原则:凡是将数据送到内部总线的信号 XX →IB，互斥, 分为一组, 同一部件的同一操作是互斥的,分为一组. 如，ADD，SUB，AND 等 外部芯片的读写操作互斥分为一组.如 MMRD ,MMWR ,IORD,IOWR 等 微命令编码设计如下：
指令流程设计
2.分析取数阶段
指令流程设计
3.执行阶段
计算机的基本工作过程可以概括成为取指令、分析取数、执 行指令，然后再取下一条指令，……。如此周而复始，直至 遇到停机指令或外来的干预为止。
指令流程设计
指令流程设计实例
（１） SUB AX，BX （2） MOV AX，BX （3） MOV AX， [BP] （4） MOV AX，#8000
数据通路的设计
计算下条指令地址
对于顺序执行的情况，PC的内容应不断地增量（加“1”），以 控制指令的顺序执行。 在遇到需要改变程序执行顺序的情况时，将转移的目标地址送 往PC，即可实现程序的转移。
数据通路的设计
取指令阶段所需部件：
数据通路的设计
取指令阶段所需部件：
数据通路的设计
译码取操作数
指令译码器（ID）：指令译码器又称操 作码译码器或指令功能分析解释器。暂存在 指令寄存器中的指令只有在其操作码部分经 过译码之后才能识别出这是一条什么样的指 令，并产生相应的控制信号提供给微操作信 号发生器。
连接方法：
☆ 在所有需要传送数据的部件之间创建一条直接通路。
（专用数据通路） ☆ 在CPU内部创建一条总线（bus）各部件之间通过 该
（建立数据通路）
总线传送数据。 （总线方式数据通路）
本例用总线方式
数据通路的设计
并部件连接起来
X86
架构 总线方式
数据通路的设计
数据通路的设计
３.数据流动信号分析
数据通路的设计
执行阶段所需部件
数据通路的设计
执行阶段所需部件
数据通路的设计
控制单元（CU）
根据IR的内容（指令），PSW的内容（状态信息）以及时序 线路的内容，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号．
微操作信号发生器：
一条指令的取出和执行可以分解成很多最基本的操作，这种最基本 的不可再分割的操作称为微操作。微操作信号发生器用来发出微操 作序列。
PC→IB, ARin AR → AB,MMRD ,+2PC
DB → DR,DRin DB → IB,AXin
PC→IB, Sin DR → IB,ADD ,Tin T→IB, PCin
指令流程设计
对整个指令系统进行指令流程综合:
1.取指周期（FIC）
指令流程设计
2. 取操作数周期(FDC)
指令流程设计
一．中央处理器(CPU)概述 二.计算机系统设计与实现
中央处理器概述部分内容提要
一．中央处理器(CPU)概述 中央处理器(CPU)的功能 指令的执行过程 控制策略概述
中央处理器概述
中央处理器(CPU)的功能
中央处理器（CPU）对整个计算机系统的运行极为重要，控制器是核心 单元．CPU 具有以下四方面的功能： Θ指令控制：程序顺序的控制 Θ操作控制：按指令含义完成各种操作动作
时序部件：
时序部件能产生一定的时序信号，以保证机器的各功能部件有节奏地进行 信息传送、加工及信息存储。时序部件包括： ⑴脉冲源 ⑵启停控制逻辑 ⑶节拍信号发生器
数据通路的设计
控制单元所需部件
数据通路的设计
控制单元所需部件
数据通路的设计
系统所需全部功能部件：
数据通路的设计
２.将选择的功能的部件连起来
数据通路的设计
中央处理器的操作：
数据通路的设计
数据通路的设计
数据通路的设计
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现 指令系统设计
数据通路的设计
指令流程设计 指令流程设计 控制部分的实现
指令流程设计
分析各周期应产生的控制信号
以流程图的形式描述指令的操作过程，就得到 指令操作流程图． 指令流程设计的结果是将指令的执
3. 执行周期(EXEC)
（１） SUB AX，BX
指令流程设计
（2） MOV AX，BX
（3） MOV AX， [BP]
不同的指令执行周期完成的操作不同
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
指令流程设计
（4） MOV AX，#8000 （5）ADD AX，BUF[BX]
（6） JMP LL
指令流程设计
将系统各指令各周期综合起来形成系统指令流程图
微程序控制器的实现
选以下指令为例进行部分指令微命令编码:
SUB AX，BX
MOV AX,[BP]
MOV AX，#8000
JMP LL
微程序控制器的实现
（１） SUB AX，BX 指令流程
注:微命令23位,写成以上6位 16进制数时最后一位无效
微命令编码:
微程序控制器的实现
一条指令的取出和执行可以分解成很多最基本的操作，这种最基本的不可 再分割的操作称为微操作。微操作信号发生器用来发出微操作序列。
时序部件：
时序部件能产生一定的时序信号，以保证机器的各功能部件有节奏地进行信息传 送、加工及信息存储。时序部件包括： ⑴脉冲源 脉冲源用来产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号。 ⑵启停控制逻辑 启停控制逻辑的作用是根据计算机的需要，可靠地开放或封锁脉冲，控制时序信 号的发生或停止，实现对整个机器的正确启动或停止。 ⑶节拍信号发生器 节拍信号发生器又称脉冲分配器。脉冲源产生的脉冲信号，经过节拍信号发生 器后产生出各个机器周期中的节拍信号，用以控制计算机完成每一步微操作。
第六章
Central Processing Unit (CPU)
中央处理器
Homework
第６章 中央处理器部分作业：
６-１３, ６-１４ , ６-１８
本章主要参考文献： 计算机组成原理考研指导 ，徐爱萍，清华大学出版社
中央处理器内容提要
中央处理器（CPU）是整个计算机的核心，它包括运算器和控 制器。 控制器是计算机系统的指挥中心，它把运算器、存储器、输 入/输出设备等部件组成一个有机的整体，然后根据指令的要求指挥 全机的工作。本章着重讨论CPU的功能和组成，控制器的工作原理和 实现方法。
指令的执行流程 指令的执行流程 指令的执行流程 指令的执行流程
（5）ADD AX，BUF[BX] 指令的执行流程 （6） JMP LL 指令的执行流程
指令流程设计
（１） SUB AX，BX
指令的执行流程
指令流程设计
（2） MOV AX，BX （4） MOV AX，#8000
（3） MOV AX， [BP]
行过程以指令流程图的形式表示出来.
指令操作过程：
指令流程设计
指令执行步骤回顾
1.取指令阶段
取指令阶段完成的任务是将现行指令从主存中取出来并送至指令寄存器中去。具体的操作为： ①将程序计数器（PC）中的内容送至存储器地址寄存器（MAR）。 (PC)→MAR ②由控制单元（CU）经控制总线（CB）向主存发读命令。 Read ③从主存中取出的指令通过数据总线（DB）送到存储器数据寄存器（MDR）。 M(MAR) →MDR ④将MDR的内容送至指令寄存器（IR）中。 (MDR)→IR ⑤将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备。 (PC)＋1→PC 以上这些操作对任何一条指令来说都是必须要执行的操作， 所以称为公共操作
本章采用CISC
X86 架构指令体系结构为例
具体设计见附件一
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现 指令系统设计
数据通路的设计 数据通路的设计
指令流程设计 控制部分的实现
数据通路的设计
1.选择完成预定功能的部件
取指令 计算下条指令地址
取指令
数据通路的设计
⑴ 程序计数器 (PC) 程序计数器用来存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条指令地址
Elements storing address of Instruction (Register PC)
数据通路的设计
⑵ 指令寄存器(IR) 指令寄存器用来存放从存储器中取出的指令。当指令从主存取出暂存于 指令寄存器之后，在执行指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化 ，以保证实现指令的全部功能。 ⑶ 存储器数据寄存器(DR) 存储器数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据 字；反之，当向主存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在存 储器数据寄存器中。 ⑷ 存储器地址寄存器(AR) 存储器地址寄存器用来保存当前CPU所访问的主存单元的地址。由于主 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，直到主存的读/写操作完成为止。 当CPU和主存进行信息交换，无论是CPU向主存存/取数据时，还是CPU从 主存中读出指令时，都要使用存储器地址寄存器和数据寄存器。
中央处理器概述
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现 指令系统设计
数据通路的设计
指令流程设计 控制部分的实现
计算机系统设计与实现内容提要
二.计算机系统设计与实现
指令系统设计 指令系统设计 数据通路的设计
指令流程设计 控制部分的实现
指令系统设计
从分析CPU应用开始确定它将运行的程序类型 从而确定指令集（ISA）