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计算机组成原理教案(第五章)

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计算机组成原理第五章-第2讲-指令周期

计算机组成原理第五章-第2讲-指令周期

5.2.7用方框图语言表示的指令周 期
➢ 上一节的程序执行图：
学习讲解需要
➢ 画方框图：
取指过程相同 执行过程各异
5.2.7方框图表示指令周期
一个CPU 周期
取指
执行
5.2.7方框图表示指令周期
P151例1：双总线结构机器的数据通路图
分析ADD R2，R0 （R0=R0+R2）
分析SUB R1，R3
5.2指令周期
➢ 时钟周期：节拍脉冲、T周期
处理操作的最基本单位，与CPU主频成倒 数
可代表一次微操作，如ALU的一次运算、 寄存器间的一次数据传送
ห้องสมุดไป่ตู้ Eg.
某CPU的主频为8MHz，若已知每个机 器周期平均含有4个时钟周期，且该机的平 均指令速度为0.8MIPS，则该机的平均指令 周期为___________，每个指令周期平均 含有___________个机器周期。
（R3=R3-R1）
微操作控 制信号
微操作控 制信号
注意 红色 勘误
ALU0
ALU0 R3i
注意微操作控制信号，脚标 i 表示写入，o表示读出 桥耗费时间，使得寄存器传递数据占据了一个CPU周期
➢ 思考：为了缩短ADD R2,R0指令的取指周 期，修改该双总线数据通路图，画出指令 周期流程图。
以上有不当之处，请大家给与批评指正， 谢谢大家！
33
5.2.3 LAD指令执行过程详解
➢ 分析：为什么LAD指令周期包含三个CPU 周期？
◊ 答：DBUS 上分时进行 地址传送和 数据传送, 一个数据通 路占用一个 CPU周期。
5.2.4ADD指令的指令周期
➢ 只讲ADD指令的执行过程
5.2.5ADD指令的执行周期

计算机组成原理 第五章ppt课件

计算机组成原理 第五章ppt课件

存储字64位（8个字节）
精选ppt
25
5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
⑶折中方法
双字地址的最末三个二进制位必须为000，单字 地址的最末两位必须为00，半字地址的最末一位必 须为0。特点：数据都在一个存取周期内完成，存 储器资源仍然有浪费，但比第2种方法少得多。
0
1
23
4
5
6
7
8 9 10 11 12 13 14 15
精选ppt
2
本章学习内容
计算机组成原理
5.1 存储系统的组成 5.2 主存储器的组织 5.3 半导体随机存储器和只读存储器 5.4 主存储器的连接与控制 5.5 提高主存读写速度的技术 5.6 多体交叉存储技术 5.7 高速缓冲存储器 5.8 虚拟存储器
精选ppt
3
本章学习要求
计算机组成原理
计算机组成原理
第5章 存储系统和结构
精选ppt
1
计算机组成原理
存储系统是由几个容量、速度和价格各 不相同的存储器构成的系统，设计一个容量 大、速度快、成本低的存系统是计算机发 展的一个重要课题。
本章重点讨论主存储器的工作原理、组 成方式以及运用半导体存储芯片组成主存储 器的一般原则和方法，此外还介绍了高速缓 冲存储器和虚拟存储器的基本原理。
这批数据一共有10个，它们依次为字节、 半字、双字、单字、字节、单字、双字、半字、 单字、字节。
精选ppt
27
5.2 主存储器的组织
计算机组成原理
解：根据题干可以知道4种长度的数据分别为：字节数 据8位，半字数据16位，单字数据32位，双字数据64 位。因为要保证任何长度的数据都在单个存取周期内 完成读写，所以该机的存储字长应为64位。要特别注 意的是，在本例中数据字长（32位）和存储字长（64 位）是不同的。

计算机组成原理电子教案第5章

计算机组成原理电子教案第5章
从指令系统的发展过程来看，从第一台电子计算 机诞生，到上世纪70年代末的30多年里，指令系 统是沿着不断增大、不断复杂化的单一方向发展 的。之后，出现了指令系统发展的一个新的方 向——精简指令系统方向。
采用精简指令系统的计算机，称为精简指令系统 计算机（RISC），相对而言，采用复杂指令系统 的计算机则称为复杂指令系统计算机（CISC）。
按操作数的性质来分类，操作数可分为：地址， 数值，字符和逻辑数据四类；按数据格式来分类， 操作数又可分为定点格式和浮点格式两类。
对不同类型的数据，其操作方式是不一样的，需 要设计不同的指令来完成不同的操作。因此，操 作数类型对指令系统的设计有很大的影响。
计算机组成原理电子教案第5章
2．操作类型
如果程序是顺序执行，则依靠PC的自动加1，就 能不断产生所需执行的各条指令的地址。
如果程序需要改变执行的顺序，则要通过控制转 移类指令来实现；这些指令可以（条件转移指令 是在转移条件成立时）将转移目标处的指令地址 装入PC，使控制器下次所取的指令为转移目标指 令。
计算机组成原理电子教案第5章
数据的寻址方式比较多，也比较复杂。根据某种 寻址方式产生的操作数地址，称为操作数的有效 地址EA。
计算机组成原理电子教案第5章
地址码用于指出指令的操作数据所存放的位置 （包括原始数据的存放位置和处理结果的存放位 置）。
地址码可以是存储单元地址，可以是寄存器编号， 也可以是I/O端口地址。由于各种存储装置的容量 不同，所以，地址码的位数也不同。
一条指令的操作往往需要涉及多个数据，因此， 指令中的地址码可能会有多个。
计算机组成原理电子教案
第五章 指令系统
计算机组成原理电子教案第5章
5.1 指令系统概述 5.2 指令格式及其设计

教案-计算机组成原理(DOC)

教案-计算机组成原理(DOC)

计算机组成原理教案（数字媒体专业）第一章计算机系统概论内容简介：计算机系统的层次结构，冯·诺伊曼计算机的硬件结构和主要功能，计算机的工作步骤以及计算机的主要技术指标。

教学目标：了解计算机系统的层次结构；了解冯·诺伊曼计算机的特点及硬件构成；理解计算机的工作步骤，了解计算机的主要技术指标的含义及其对计算机的影响。

教学重点和难点：虚拟机的概念；计算机的硬件构成；计算机的工作步骤。

教学媒体和教学方法：使用幻灯片在多媒体教室进行教学；教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：一、计算机系统简介1．计算机的软硬件概念（1）硬件（2）软件（3）软硬件的关系2．计算机系统的层次结构（1）虚拟机的概念（2）各层虚拟机及与真实机器的层次关系3．计算机的基本组成（1）冯·诺伊曼计算机的特点（2）计算机硬件结构，总线的构成。

讨论、分析直连结构的问题，提出总线思想，并简单介绍总线结构。

（3）计算机的工作步骤提出计算机解决问题的基本步骤计算机基本构成部件的介绍（运算器、存储器、控制器）以计算ax2+bx+c为例分析计算机工作的过程4．计算机的主要技术指标（1）机器字长计算机同时处理的二进制位机器字长与数据总线宽度、存储字长的关系（2）存储容量存储容量的单位主存容量辅存容量（3）运算速度几种计算运算速度的方法并对它们进行比较运算速度的表示单位第二章计算机的发展及应用内容简介：计算机的发展史；计算机的应用领域；计算机的发展展望。

教学目标：了解计算机的产生和发展以及发展思路；了解计算机的应用领域；了解计算机的发展趋势。

教学重点和难点：计算机的应用领域。

教学媒体和教学方法：使用幻灯片在多媒体教室进行教学；教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：一、计算机的发展史1．计算机的产生和发展现代计算机的研究工作第一台电子计算机的产生计算机的发展阶段计算机的发展规律计算机的发展趋势2．微型计算机的出现和发展微型计算机的发展阶段微型计算机的发展带来的工作、学习、生活方式的变化3．软件技术的兴起和发展软硬件的融合，简介嵌入式发展方向二、计算机的应用1．科学计算和数据处理通过ENIAC进行计算的一个案例，直观体会计算机的计算能力2．工业控制和实时控制3．网络技术应用4．虚拟现实介绍虚拟现实技术的一些应用5．办公自动化和管理信息系统6．多媒体技术7．人工智能三、计算机发展的展望第三章系统总线内容简介：总线的概念；总线的分类；总线的特性和性能指标；总线结构；总线控制。

计算机组成原理第五章课件

计算机组成原理第五章课件

常见的总线标准与接口
常见的总线标准
除了上述提到的ISA、EISA、VESA和PCI等总线标准外，还有一些其他常见的总线标准，如AGP总线 、PCI-E总线等。
总线接口
为了将各种设备连接到总线上，需要使用相应的总线接口。不同的总线标准对应着不同的接口规范， 如PCI接口、AGP接口等。这些接口规范定义了设备的物理特性、电气特性以及数据传输的协议等。
微程序控制器
定义
微程序控制器是一种实现计算机程序控制的方式，它通过微程序来控制计算机各个部件的操作。
组成
微程序控制器由控制存储器、微指令寄存器、微地址寄存器等部件组成。
原理
微程序控制器通过读取控制存储器中的微程序来控制计算机的操作，每个微程序包含一系列微指 令，每个微指令控制计算机执行一个基本操作。
计算机与外部世界进行 信息交换的桥梁和纽带 ，负责将外部信息输入 到计算机内部进行处理 ，并将处理结果输出到 外部设备。
02
中央处理器（CPU）
CPU的组成与功能
组成
CPU由运算器、控制器和寄存器 组等部件组成。
功能
CPU是计算机的核心部件，负责 执行程序中的指令，完成各种算 术和逻辑运算，并控制计算机的 各个部件协调工作。
关键术语和概念
计算机系统
指令系统
中央处理器
存储系统
输入输出系统
由硬件系统和软件系统 两大部分组成，它们共 同协作以完成各种计算 任务。
计算机硬件能够识别和 执行的一组基本操作命 令，它是软件与硬件之 间的接口。
计算机的运算核心和控 制中心，负责执行各种 算术和逻辑运算以及控 制命令。
计算机中用于存放程序 和数据的装置，包括主 存储器、辅助存储器和 Cache存储器等。

《计算机组成原理》教学课件 第五章

《计算机组成原理》教学课件 第五章

指令格式
第19页
对于等长和不等长扩展法，根据采 用不同的扩展标志还可以有多种 不同的扩展方法。例如，对于等长
扩展4-8-12扩展编码法，有采用保留一 个码位标志的15/15/15扩展编码法，有 采用每次保留一个标志位的8/64/512扩 展编码法等，如图所示。
0000
0001
15 …
1110
1111 0000
零地址指令的可扩展位为12位，因此，零地址指令最多有
[(28−K)×212−L]×212条。
第36页
指令格式
5.1.3 指令字长度
一个指令字中包含二进制代码的位数，称为指令字长度。 而机器字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，决定
了计算机的运算精度。机器字长通常与主存单元的位数一致。指
令字长度等于机器字长度的指令，称为单字长指令；指令字长 度等于半个机器字长度的指令，称为半字长指令；指令字长度 等于两个机器字长度的指令，称为双字长指令。例如，IBM370
第33页
指令格式
第34页
例5-4 某机指令字长32位，一个操作数地址为12位，有二地址指令、一地址指令和零地
址指令3种格式的指令。若采用扩展操作码的方式来设计指令，已知二地址指令K
条，一地址指令L条，问零地址指令有多少条？
指令格式
第35页
解 二地址指令格式如图所示。操作码长度为32−12×2=8（位）。
一条指令通常由操作码字段（OP）和地址码字段（A）组成，其基本格式如图所示。
操作码字段 （OP）
地址码字段 （A）
指令格式
操作码字段（OP）指出该指令应执行什么性 质的操作和具有何种功能。操作码是识别指令、了
解指令功能、区分操作数地址内容的组成和使用方法 等的关键信息。例如，指出是算术加运算，还是减运 算；是程序转移，还是返回操作。

《计算机组成原理》教案

《计算机组成原理》教案

《计算机组成原理》教案一、教学目标1. 了解计算机硬件系统的组成及功能2. 掌握数据的表示和运算方法3. 理解存储器的层次结构和工作原理4. 掌握中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标5. 了解计算机的输入输出系统及其接口技术二、教学内容1. 计算机硬件系统计算机的组成输入输出设备存储器中央处理器（CPU）2. 数据的表示和运算数制转换计算机中的数据类型算术运算逻辑运算3. 存储器层次结构随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）硬盘存储器虚拟存储器4. 中央处理器（CPU）CPU的组成和结构指令集和指令系统指令执行过程CPU性能指标5. 输入输出系统输入输出设备I/O接口技术中断和直接内存访问（DMA）总线和接口三、教学方法1. 采用讲授法，讲解基本概念、原理和方法。

2. 结合实例分析，让学生更好地理解计算机组成原理。

3. 使用实验和实训，培养学生的实际操作能力。

4. 开展课堂讨论和小组合作，提高学生的分析和解决问题的能力。

四、教学资源1. 教材：《计算机组成原理》2. 课件：PowerPoint或其他教学软件3. 实验设备：计算机、内存条、硬盘等4. 网络资源：相关在线教程、视频、论文等五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业、实验报告等（30%）2. 期中考试：测试计算机组成原理的基本概念、原理和方法（30%）3. 期末考试：综合测试计算机组成原理的知识点和实际应用（40%）六、教学安排1. 课时：共计48课时，每课时45分钟。

第一章：8课时第二章：6课时第三章：10课时第四章：10课时第五章：4课时第六章：6课时第七章：6课时第八章：4课时第九章：4课时第十章：4课时2. 教学方式：讲授、实验、课堂讨论、小组合作等。

七、教学重点与难点1. 教学重点：计算机硬件系统的组成及功能数据的表示和运算方法存储器的层次结构和工作原理中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标输入输出系统及其接口技术2. 教学难点：存储器的工作原理中央处理器（CPU）的指令执行过程输入输出系统的接口技术八、教学进度计划1. 第一周：计算机硬件系统概述2. 第二周：数据的表示和运算3. 第三周：存储器层次结构4. 第四周：中央处理器（CPU）5. 第五周：输入输出系统6. 第六周：综合练习与实验九、教学实践活动1. 实验：实验一：计算机硬件组成认识实验二：数据表示与运算实验三：存储器测试实验四：CPU性能测试实验五：输入输出系统实验2. 课堂讨论：讨论话题：计算机硬件技术的未来发展讨论形式：小组合作、课堂分享1. 课程结束后，对教学效果进行自我评估和反思。

《计算机组成原理》5-指令系统

《计算机组成原理》5-指令系统
◆程序的指令序列在主存顺序存放。执行时从第一条指令 开始，逐 条取出并执行，这种程序的顺序执行过程，称为 顺序寻址方式。
◆ CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计 数。PC开始时存 放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址， 直到程序结束。
跳跃寻址 Leabharlann 转移指令指出AA22AA33
…
…
…
…
1111 1110 A2 A3
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
16 位操作码
…
…
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
边界未对准
地址（十进制）
字( 地址2)
半字( 地址0)
0
字节( 地址7) 字节( 地址6)
字( 地址4)
4
半字( 地址10)
半字( 地址8)
8
5.2.2 数据类型
2、数据在计算机中存放方式
存储字长内部字节的次序
例： 12345678H如何存储？ 12 34 56 78H
5.3.1指令寻址
指令寻址----计算指令有效地址的方法
指令地址
指令
指令地址寻址方式
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB 6 INC
77 STA 88 LDA

计算机组成原理第5章 中央处理器

计算机组成原理第5章 中央处理器

19
第二节 一、指令执行分析 任何一条指令的执行都要经过读取指令、分析 指令和执行指令三个阶段。指令执行过程一般可分 为：1）取指令 2 3 4 5
20
图5.5
流水处理
21
二、 计算机的功能是执行程序。执行程序时，计算 机操作由一系列指令周期组成，每个周期执行一条 机器指令，而每个指令周期又由若干个机器周期组 成，一种通常的办法是分解成取指、取操作数、执 行和中断，只有取指和执行周期总是必有的。 1 2 图
10
二、时序控制方式 计算机的基本任务是执行指令。执行一条指令 的过程是分为若干步来实现的，每一步对应某些微 操作。由于不同指令所对应的微操作及繁简程度大 不相同，因而每条指令和每个微操作所需的执行时 间也不相同，这就需要引入时序信号来对这些微操 作进行定时控制。时序控制方式，就是指微操作与 时序信号之间采取何种关系。按照同步或非同步的 关系，可将时序控制方式分为同步控制和异步控制
13
计算机从取指令到执行完指令所需要的时间称 为指令周期。不同的指令，其功能不同，其指令周 期长短也就可以不同。在系统中，通常不为指令周 期设置时间标志信号，因而也不将其作为时序的一 级。时序信号通常划分为三级，即机器周期、节拍
14
图5.2
时序系统结构框图
15
3) 异步控制方式中没有统一的时钟信号，各部件 按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络， 常见的应答信号有准备好（READY）或等待（ WAIT
16
图5.3 多级时序
17
图5.4
异步应答流程
18
在CPU中，控制器的任务是决定在什么时间、 根据什么条件、发什么命令、做什么操作。因此， 产生微命令的基本依据是时间、指令代码、状态、 外部请求等。这些信息或作为逻辑变量，经组合逻 辑电路产生微命令序列；或形成相应的微程序地址， 通过执行微指令直接产生微命令序列。按照微命令 的产生方式，可将控制器分为组合逻辑控制器和微

计算机组成原理教案

计算机组成原理教案

《计算机组成原理》本科课程教案计算机科学学院本课程是计算机专业本科生的核心课程，是主干必修课。

课程以阐述原理为主，讲述计算机系统及其各功能部件的工作原理以及逻辑实现，计算机系统及其各功能部件的设计原理以及并行处理技术。

设置这一课程的目的是使学生掌握计算机的基本工作原理，掌握计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用，掌握计算机系统的设计原理以及软硬件的界面，从而对整个计算机系统有完整的了解，为计算机专业的后继课程的学习打下基础。

一、本课程得主要内容1、计算机系统概论2、逻辑电路设计基础（复习及提高）3、信息编码和数据表示4、计算机算法和算法逻辑实现5、存储器6、计算机指令构成和寻址方式7、处理机设计8、流水线处理机9、存储系统10、输入输出设备11、输入输出系统二、本课程教学重点与难点重点：信息编码和数据表示控制器存储系统输入输出系统三、教材选用王爱英.《计算机组成与结构》第五版.清华大学出版社.四、参考教材：主要参考书：1、李亚明.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.20012、William Stallings《计算机组织与结构--性能设计（第五版）》.高等教育大学出版社，3、江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.19984、胡越明.《计算机组成和系统结构》.上海科学技术文献出版社.19995、俸远祯.《计算机组成原理》.电子工业出版社6、李亚民.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社 2000年7、袁开榜.《计算机组成原理》高等教育出版社8、白中英、韩兆轩编.《计算机组成原理》.科学出版社9、唐朔飞.《电子数字计算机原理》.哈尔滨工业大学出版社参考书：10、邹海明.《计算机组织与结构》.电子工业出版社..１９９３年.版.11、 John L. Hennessy and David A. Patterson, "Computer organization and design, the hardware/software interface", Morgan Kaufmann, Second Edition, 199812、John L. Hennessy and David A. Patterson, “Computer architecture:a quantitativ e approach”, Morgan Kaufmann, Second Edition, 199613、Patterson and Hennessy, "Computer Organization & Design: the Hardware/Software Interface (2nd edition)",Morgan Kaufmann Publishers.五、教学手段：ppt+版书六、课程内容和学时分配（整体安排按信息表示、信息处理、信息输出思路。

计算机组成原理第五章2讲课文档

计算机组成原理第五章2讲课文档
取指令，并指出下条指令的地址；
对指令译码或测试，并产生相应的操作控制信号；
指挥并控制CPU、存储器和I/O设备之间数据流动的方向 。 ➢Cache ：存储指令和数据。
现在四页，总共六十三页。
CPU模型
现在五页，总共六十三页。
中的主要寄存器
❖ 寄存器的功能：暂存指令和数据
▪ 数据缓冲寄存器（DR）： • 存运算结果及内部缓冲； • 缓冲CPU与外部（主存与外设）数据传送。
▪ 编码（分段译码）表示法——把一组相斥性的微命令信 号组合在一个字段，然后通过译码器对每个微命令信号 进行译码，译码的输出作为控制信号。 • 优点：可用较少的二进制位表示较多的微命令信号， 缩短CM的字长。 • 缺点：增加了译码电路，速度相对要慢一些。
▪ 混合表示法 ▪ 为提高灵活性，常在微指令中增设一个常数字段。
00 0000
0001
PC→M
M→IR
PC+1 P1
R1+R2→R2
R2+R3→R2
P2
R2-R3→R2
现在三十九页，总共六十三页。
微程序控制器组成原理
现在四十页，总共六十三页。
（五）CPU周期与微指令周期关系
▪ 微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时 间
（六）机器指令与微指令的关系
现在四十二页，总共六十三页。
时间。
• 根据“应答”方式操作。
▪ 联合控制方式 ：同步控制和异步控制相结合的方式。
• 大部分操作序列安排在固定的机器周 期中，部分采 用“回答”信号方式；
• 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。
现在三十二页，总共六十三页。

计算机组成原理教学教案第五章

计算机组成原理教学教案第五章

第 5 章指令系统5.1机器指令的格式5.1.1 指令的含义指令（Instruction）是指挥计算机执行某种操作的命令。

从计算机组成的层次结构来看，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。

微指令是微程序级的命令，它设计在微程序控制器中，属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，若干条机器指令的功能可由执行这条宏指令实现，它属于软件；而机器指令则介于微指令和宏指令之间，通常简称为指令。

机器指令可完成一个独立的操作功能，它是程序员进行程序设计的最小单位，是组成程序的语句；又因为机器指令是由一串二进制数码组成的，它是机器能够直接接收、理解和执行的语言，它是硬件设计人员设计计算机硬件的依据。

从计算机系统结构的角度看，指令可理解为计算机软件和硬件的接口，是系统程序设计人员看得到的属性，也是使用汇编语言的用户能看到的属性。

5.1.2 指令格式所谓指令格式是指一条指令由什么样的代码组成，一条指令的结构可用如下形式来表示。

⒈一条指令应该包含如下信息：⑴操作码：操作码具体规定了操作的性质及功能。

一个包含n位操作码的指令格式最多能够表示2n条指令。

⑵地址码：指出操作数的存储地址，CPU通过这个地址取得操作数。

根据地址码的不同，就有不同的指令格式。

⑶操作结果的存放地址.⑷下一条要执行的指令的地址.⒉指令格式根据地址码所给出的地址的个数（操作数的个数），可以把指令格式分成零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令和多地址指令（或称几操作数指令）。

⑴零地址指令格式：这类指令只有操作码而无操作数，通常也叫无操作数指令。

⑵一地址指令格式：OP Code表示操作码，A表示操作数的存储器地址或寄存器名。

⑶二地址指令格式：OP Code表示操作码，A1表示源操作数的存储器地址或寄存器名（或目的操作数的存储器地址或寄存器名），A2表示目的操作数的存储器地址或寄存器名（或源操作数的存储器地址或寄存器名）。

这类指令有两个操作数地址，是最常用的指令格式。

计算机组成原理第5章课件

计算机组成原理第5章课件
第5章 中央处理器 计算机组成原理
☆ 5.1 CPU的组成和功能 ☆ 5.2 指令周期 ☆ 5.3 时序产生器和控制方式 ☆ 5.4 微程序控制器 ☆ 5.5 硬连线线控制器
5.6 传统CPU
☆ 5.7 流水CPU ☆ 5.8 RISC CPU
5.9 多媒体CPU
5.1 CPU的功能和组成
中央处理器是控制计算机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
a＋b＋6－6
第一二三条微指令的二进制编码：0100 10001 10001 1000 0110101010 0110 010001
微程序控制器原理框图
• 微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转 移逻辑三大部分组成。 存放由控制存储器读出的一条微指令信息。
分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。
5.4 微程序控制器
➢ 利用软件方法（微程序设计技术）来设计硬件 ➢ 微程序控制的基本思想：
＊把操作控制信号编成 “微指令”，存放到控 制存储器CM中。 ＊当机器运行时，逐条读出微指令，产生全机 所需要的各种操作控制信号，启停相应部件。
5.4 微程序控制器
• 5.4.1 微程序控制原理 • 5.4.2 微程序设计技术
2. 异步控制方式 (2)采用不定长机器周期。
(3)中央控制与局部控制结合。
控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操 作后发“回答”信号，再开始新的操作。
3. 联合控制方式
同步控制和异步控制相结合的方式。
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 难以确定的操作则以执行 “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。

《计算机组成原理》教案设计

《计算机组成原理》教案设计

《计算机组成原理》教案授课学时：72学时《计算机组成原理》教学容：研究讨论单台计算机的完整硬件系统的根本组成原理与部运行机制。

课程性质：计算机科学与技术与相关专业的根底课程。

课程的目的和任务：用层次结构的观点并以信息的加工、处理为主线研究计算机硬件结构与工作原理；使学生掌握计算机硬件系统中各大部件的组成原理、逻辑实现、设计方法与互连构成整机的技术；培养学生对硬件系统的分析、设计、开发、使用和维护方面的能力，建立结实的整机思想。

课程特点：容覆盖面广，根本概念多、抽象，难以建立计算机的整机概念。

教学目标：尽可能清晰而完整地介绍当代计算机系统的性质和特征。

具有挑战性：计算机系统的多样性：价格、体积、性能和应用等。

计算机技术的飞速开展：低层的集成电路计算机和并行组织技术。

课程容的工程性、技术性、实用性都比拟强，因此，在学习计算机组成的原理性知识之外，还应有较多的设计与实验技能训练。

课程的教学根本要求:使学生学懂简单、完整的单台计算机的根本部件和整机系统组成，以与计算机部件连接关系和运行机理，了解计算机系统结构的入门性知识，掌握使用和简单维护计算机系统的根本技能。

教学方法和教学形式建议:本课程采用远程教学和面授辅导相结合的方式开展教学。

远程教学包括要求学生收看电视录像课、网上的流媒体〔IP〕课件、网上教学辅导、实时和非实时答疑等多种教学形式；面授辅导应考虑学生的在职和成人特点和需求，在业余时间进展有针对性的学习指导。

平时作业既是学生自我检验学习水平的一种形式，也是很重要的形成性考核手段，各级电大教学点应配合面授辅导教师督促学生独立完成并与时批改和反应，必要时应要求学生重做。

小组讨论课是在教师引领下对预先布置的主题开展讨论的一种教学活动形式。

这种教学活动能够很好地激发学生的学习兴趣，各级电大教学点应配合面授辅导教师组织实施。

同时，小组讨论课也是一种形成性考核形式，教师应注意把握“引领〞、“提问〞和“点评〞等多个教学指导环节，并依据标准给予每个学生合理的学习评价。

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(1) I1: ADD R1，R2，R3 ； I2: SUB R4，R1，R5 ；
3.联合控制方式
此为同步控制和异步控制相结合的方式。 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。
5.4 微程序控制器
5.4.1 微命令和微操作
控 制 字 段 判别测试字段
下地址字段
按照控制字段的编码方法不同，水平型微指令又分为三种：
I. 全水平型(不译法)微指令 II. 字段译码法水平型微指令 III. 直接和译码相混合的水平型微指令。
2.垂直型微指令
微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由 微操作码规定微指令的功能 ，称为垂直型微指令。
下面举4条垂直型微指令的微指令格式加以说明。设微指 令字长为16位，微操作码3位。
(1)寄存器-寄存器传送型微指令 (2)运算控制型微指令
(3)访问主存微指令 (4)
3.水平型微指令与垂直型微指令的比较
(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微 指令则较差。
(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间 长。
5.8.3 流水线中的主要问题
流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。
1. 资源相关
资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周 期内争用同一个功能部件所发生的冲突。
2. 数据相关
在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能 执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。
5.8 流水CPU
5.8.1 并行处理技术
并行性的两种含义：
同时性 指两个以上事件在同一时刻发生； 并发性 指两个以上事件在同一时间间隔内发生。
计算机的并行处理技术概括起来主要有以下三种形式：
1.时间并行 2.空间并行 3.时间并行+空间并行
5.8.2 流水CPU的结构
其中CPU按流水线方式组织，通常由三部分组成：指令部件、指令 队列、执行部件。
5.5.2 微地址的形成方法
产生微地址有两种方法：
1.计数器方式
这种方法同用程序计数器来产生机器指令地址的方法相类似
在顺序执行微指令时微地址寄存器通常改为计数器 在非顺序执行微指令时，必须通过转移方式
2.多路转移方式
❖ 在多路转移方式中，当微程序不产生分支时，后继
微地直接由微指令的顺序控制字段给出；
(2)执行条件转移指令微程序时，按进位标志C的状态进行2路分支； (3)执行控制台指令微程序时，按IR4，IR5的状态进行4路分支。
(1)用P1和IR3-IR0修改μA3-μA0； (2)用P2和C修改μA0； (3)用P3和IR5，IR4修改μA5，μA4。
另外还要考虑时间因素T4(假设CPU周期最后一个节拍脉冲)，故
(2)在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节 拍电位-节拍脉冲二级体制。
5.3.2 时序信号产生器
微程序控制器中使用的时序信号产生器由 时钟源、环形脉 冲发生器、节拍脉冲和读写时序译 码逻辑、启停控制逻辑等部分组成。
5.3.3 控制方式
控制方式 即控制不同操作序列时序信号的方法。
常用的有同步控制、异步控制、联合控制三种方式，其 实质反映了时序信号的定时方式。
它主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大 部分组成。
微程序控制器原理框图
读出一条微指令并执 行微指令的时间总和称为一个微指令周期。
微指令周期就是只读存储器的工作周期。 控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指 令系统而定，即取决于微程序的数量
5.4.4 微程序举例
我们举“十进制加法”指令为例，具体看一看微程序控制的过 程。
1.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 时钟周期数都固定不变。根据不同情况，同步控制方式可选取
(1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。 (2)采用不定长机器周期。 (3)中央控制与局部控制结合。
2.异步控制方式
其特点是：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；也可以是当控制器发出某一操 作控制信号后，等待执行部件完成操作后发“回答”信号 ，再开始新的操作。显然，用这种方式形成的操作控制序 列没有固定的CPU周期数(节拍电位)或严格的时钟周期(节 拍脉冲)与之同步。
(1) (2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的 比较。
CPU模型参看
5.1.4 操作控制器与时序产生器
数据通路：许多寄存器之间传送信息的通路
时序产生器：产生电平和脉冲，规定指令执行时间等。
操作控制器：就是根据指令操作码和时序信号，产生各 种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成 取指令和执行指令的控制。
2. 流水CPU的时空图
图(a)表示流水CPU中一个指令周期的任务分解。
图(d)表示超标量流水计算机的时空图。
3. 流水线分类
指令流水线 指指令步骤的并行。将指令流的处理过程划分 为取指令、译码、执行、写回等几个并行处理的过程段。 算术流水线 指运算操作步骤的并行。
处理机流水线 又称为宏流水线，是指程序步骤的并行。
第五章 中央处理器
5.1 CPU的组成和功能
5.1.1 CPU器的功能
CPU它具有如下四方面的基本功能： ★ 指令控制 ★ 操作控制 ★ 时间控制 ★ 数据加工
5.1.2 CPU的基本组成 和 5.1.3 CPU中的主要寄存器
CPU的基本部分由运算器、cache和控制器三大部分组成。
控制器
由程序计数器、指令寄存器、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。它的主要功能有：
微命令 控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。 微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作。
简单运算器数据通路
5.4.2 微指令和微程序
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。 微程序 实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。
具体的微指令结构
5.4.3 微程序控制器原理框图
μA5=P3·IR5·T4 μA4=P3·IR4·T4 μA3=P1·IR3·T4 μA2=P1·IR2·T4 μA1=P1·IR1·T4 μA0=P1·IR0·T4+P2·C·T4
5.5.3 微指令格式
微指令的格式大体分成两类：水平型微指令和垂直型微指令。
1.水平型微指令
一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫 做水平型微指令。 其一般格式如下：
2. CAI演示
3.我们在讲述本章5.2节时，曾讲述了指令与机器周期概念， 并归纳了五条典型指令的指令周期,并演示了这五条指令的 微程序流程图，每一个CPU周指令与微指令的关系。
【例2】设某计算机运算器框图如图(a)所示，其中ALU为16位的 加法器(高电平工作)，SA,SB为16位暂存器。4个通用寄存器由D 触发器组成，Q端输出，其读、写控制功能见下表。
5.5 微程序设计技术
5.5.1 微命令编码
微命令编码 对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。通常 有以下三种方法：
1.直接表示法
这种方法的优点是简单直观，其输出直接用于控制。
2.编码表示法
3.混合表示法
这种方法是把直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综 合考虑指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。
❖当微程序出现分支时，有若干“后选”微地址可供选择：
即按顺序控制字段的“判别测试”标志和“状态条件”信息 来选择其中一个微地址。“判别测试”有n位标志，可实现 微程序2的n次方路转移，涉及微地址寄存器的n位 。
【例3】微地址寄存器有6位(μA5-μA0)，当需要修改其内容时，可 通过某一位触发器的强置端S将其置“1”。现有三种情况： (1)执行“取指”微指令后，微程序按IR的OP字段(IR3-IR0)进行16 路分支；
我们把前面的五条典型指令加以归纳， 用方框图语言表示的指令周期
例1】
(1)“ADD R2，R0”指令完成(R0)+(R2)→R0的功能操作， 画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入PC中。 并列出相应的微操作控制信号序列。
(2)“SUB R1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，画出其 指令期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。
(1) (2)对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动 规定的动作； (3)指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。
运算器
由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态 条件寄存器组成，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。 运算器有 两个主要功能：
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
5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念
指令周期 CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间 总和。
5.4.5 CPU周期与微指令周期的关系
在串行方式的微程序控制器中: 微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时间
下图示出了某小型机中CPU周期与微指令周期的时间关系：
机器指令与微指令的总结
1.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指 令序列组成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微指 令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的 操 作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。