計算機(jī)組成原理CPU子系統(tǒng)概述與ALU-電子工業(yè)出版社--羅克露

1、第三章 CPU子系統(tǒng) 主要知識點(diǎn)： 的組成、的時序控制方式、控制器分類 運(yùn)算器的組織、基本運(yùn)算方法(主要是定點(diǎn)數(shù)的加、減、乘、 除運(yùn)算) 及其硬件電路實現(xiàn)方法 3模型計算機(jī)的數(shù)據(jù)通路、指令的執(zhí)行流程和操作時間表、組合 邏輯控制器的設(shè)計原理。 4微程序控制器的基本概念和原理，模型計算機(jī)的微程序設(shè)計方 法， 重點(diǎn)：定點(diǎn)數(shù)的加、減、乘、除運(yùn)算、數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)、 指令的執(zhí)行流程、操作時間表的設(shè)計、微程序控制器的原理及微程 序設(shè)計方法。 難點(diǎn)：定點(diǎn)數(shù)的乘、除運(yùn)算， 指令的執(zhí)行流程、操作時間表 的設(shè)計，微程序控制器的原理及設(shè)計方法。 3.1 概述概述 3.1.1 CPU的組成的組成 移 位 器 選擇器/鎖

2、存器選擇器/鎖存器 選擇命令 選擇命令初始進(jìn)位 選擇命令 操作數(shù)操作數(shù) (基本的運(yùn)算部件) ALU 按數(shù)據(jù)流向， 可以分為三級： （1）輸入級：多 路選擇器或鎖存器 組成。 （2）ALU （3） 輸出級 1、 運(yùn)算部件運(yùn)算部件 運(yùn)算部件的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 運(yùn)算部件的設(shè)置，按功能，可以分為四檔：運(yùn)算部件的設(shè)置，按功能，可以分為四檔： （1）（普通微處理器） 只設(shè)一個ALU （2 ）（高檔微處理器） 設(shè)置一個ALU，并配合時序控制器 （3）（超級小型計算機(jī)）設(shè)置一個ALU，且將定點(diǎn)乘除部件和浮 點(diǎn)部件作為基本配置 （4） （大、巨型機(jī)） 備有多個運(yùn)算部件，實現(xiàn)流水處理。 2 2、寄存器設(shè)置、寄

3、存器設(shè)置 （1）通用寄存器組 特點(diǎn)； 是用戶可以“編程訪問”，對用戶是不透明的， （2）暫存器 特點(diǎn)：用戶不可以“編程訪問”，對用戶是透明的， （3）指令寄存器IR 存放正要執(zhí)行的指令 （4）程序計數(shù)器 PC 存放將要執(zhí)行的下條指令地址 （5） 程序狀態(tài)字寄存器 PSW （6）存儲器地址寄存器 MAR （7）數(shù)據(jù)緩沖寄存器 MBR （或表示為MDR） 3 3、時序系統(tǒng)、時序系統(tǒng) 每一條機(jī)器指令的執(zhí)行都需要分若干步驟的操作完 成，每一個操作又需要嚴(yán)格的定時控制。 計算機(jī)中通常采用 “周期、節(jié)拍、脈沖 ”這三 級時序信號，見下圖。 脈沖 節(jié)拍 機(jī)器周期 產(chǎn)生周期、節(jié)拍、脈沖等時序信號的部件。叫“時

4、序系統(tǒng)”， 它有三部分組成： 主振蕩器（脈沖源）、計數(shù)分頻邏輯、啟停控 制邏輯。 4 4、微命令產(chǎn)生部件、微命令產(chǎn)生部件 （見下圖）（見下圖） 微操作信號發(fā)生器 時 序 信 號 譯碼譯碼 程序計數(shù)器 地址形成部件 狀態(tài)寄存器 操作碼地 址 碼 (尋址方式) ( 寄存器號) PSW PC IR 指令寄存器 微操作命令 +1 送主存或運(yùn)算 器 運(yùn)行狀態(tài) I/O狀態(tài) 控制臺 信息 來自 主存 (控制器基本框圖) 微操作命令 C： C= f (Im , Ti, Bj) 5 5、 CPUCPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu) 兩種基本的典型數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)： (1) 單組內(nèi)總線、分立寄存器結(jié)構(gòu)。 移位器 選

5、擇器選擇器 內(nèi)部總線 R0R n +1 M S0 S3 R 0 R n R 0 R n (a) 帶多路選擇器的運(yùn)算器 ALU (2) 單組內(nèi)總線、集中寄存器結(jié)構(gòu)。 鎖 存 器鎖 存 器 移 位 器 M S0 S3 R R 0 n 內(nèi) 部 總 線 (b) 帶 輸 入 鎖 存 器 的 運(yùn) 算 器 ALU +1 段單元頁單元 指令 對列 指令 預(yù)譯碼 譯碼與 排序控制 ROM 移位器 加法器 乘除器 寄存器 地址 驅(qū)動器 雙工 收發(fā)器 32位有效地址總線 地址 控制 數(shù)據(jù) 運(yùn)算器 內(nèi)部控制總線 控制器 指令預(yù)取 ALU總線 Intel 80386 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 典型典型CPU結(jié)構(gòu)舉例結(jié)構(gòu)舉例 3.1.2

6、 3.1.2 時序控制方式時序控制方式 1、同步控制方式、同步控制方式 脈沖 節(jié)拍 機(jī)器周期 主主 設(shè)設(shè) 備備 獲獲 得得 總總 線線 使使 用用 權(quán)權(quán) 主主 設(shè)設(shè) 備備 訪訪 問問 從從 設(shè)設(shè) 備備 主主 設(shè)設(shè) 備備 發(fā)發(fā) 送送 / / 接接 收收 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 主主 設(shè)設(shè) 備備 釋釋 放放 總總 線線 使使 用用 權(quán)權(quán) 從從 設(shè)設(shè) 備備 ？準(zhǔn)準(zhǔn) 備備 好好 N N Y Y 2 2、異步控制方式、異步控制方式 異步應(yīng)答流程圖異步應(yīng)答流程圖 3、同步控制在實際應(yīng)用中的變化 （1） 不同指令安排不同的時鐘周期數(shù) T T1 1T T2 2T T3 3T T4 4 送 地 址讀 /寫 結(jié) 束 總 線

7、周 期 T T1 1T T2 2T T3 3T TW W 總 線 周 期 T T4 4 同步方式下的總線周期同步方式下的總線周期插入延長周期的總線周期插入延長周期的總線周期 （2）總線周期中允許插入延長周期 （3）同步方式中引入異步應(yīng)答 3.1.3 控制器分類控制器分類 1、組合邏輯控制器、組合邏輯控制器 微操作信號發(fā)生器 時 序 信 號 譯碼譯碼 程序計數(shù)器 地址形成部件 狀態(tài)寄存器 操作碼地 址 碼 (尋址方式) ( 寄存器號) PSW PC IR 指令寄存器 微操作命令 +1 送主存或運(yùn)算 器 運(yùn)行狀態(tài) I/O狀態(tài) 控制臺 信息 來自 主存 組組合合邏邏輯輯控控制制器器 IR PSW P

8、C 微地址形 成電路 微地址 寄存器uAR 微操作控制字段順序控制字段 譯碼譯碼 微指令寄存器uIR 指令 代碼 運(yùn)行 狀態(tài) 微命令序列 順 序 控 制 方 式 微 地 址 給 定 部 分 ROM 控制存儲器CM (微程序控制器原理框圖） 2、微程序控制器、微程序控制器 3.1.4 CPU與外部的信息交換 1、主機(jī)與外設(shè)的連接方式、主機(jī)與外設(shè)的連接方式 （1 1）輻射型）輻射型 （星型）（星型） 主機(jī) 接口 I/OI/OI/O a) 輻射型 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 每個外設(shè)與主機(jī)之間每個外設(shè)與主機(jī)之間 都有一組單獨(dú)的總線，都有一組單獨(dú)的總線， 現(xiàn)在的星型連接是通現(xiàn)在的星型連接是通 過接口卡實現(xiàn)的。過接口

9、卡實現(xiàn)的。 缺點(diǎn)是不易擴(kuò)展缺點(diǎn)是不易擴(kuò)展 主機(jī) I/OI/O 總線 b)總線型 主機(jī) 通道通道 I/OI/OI/OI/O c)通道型 （3 3）通道型）通道型 （2 2）總線型）總線型 特點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、易：結(jié)構(gòu)簡單、易 于擴(kuò)展，但信息吞吐量于擴(kuò)展，但信息吞吐量 受限制，速度不高。是受限制，速度不高。是 適宜、用于較小的系統(tǒng)。適宜、用于較小的系統(tǒng)。 特點(diǎn)：適用于規(guī)模特點(diǎn)：適用于規(guī)模 大、設(shè)備數(shù)量和類型多大、設(shè)備數(shù)量和類型多 的系統(tǒng)，速度快，信息的系統(tǒng)，速度快，信息 吞吐量大。吞吐量大。 2 2、信息傳送的控制方式、信息傳送的控制方式 （1）直接程序傳送方式）直接程序傳送方式 CPUCPU的控

10、制流程如右圖。的控制流程如右圖。 啟動I/O設(shè)備 執(zhí)行I/O指令 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 I/O設(shè)備好? N Y a) 主機(jī)狀態(tài) 特點(diǎn)特點(diǎn)： （1） CPU主動查詢，控制整主動查詢，控制整 個傳送過程，個傳送過程， （2）CPU與外設(shè)是串行工作的。與外設(shè)是串行工作的。 外設(shè)狀態(tài)的描述：外設(shè)狀態(tài)的描述： 通常，設(shè)備接口中設(shè)有兩個狀態(tài)觸發(fā)器：通常，設(shè)備接口中設(shè)有兩個狀態(tài)觸發(fā)器：“忙忙”觸觸 發(fā)器發(fā)器B、完成觸發(fā)器。表示設(shè)備忙，、完成觸發(fā)器。表示設(shè)備忙， 表示設(shè)備已完成（也叫表示設(shè)備已完成（也叫“準(zhǔn)備好準(zhǔn)備好”，用表示），用表示） 空閑 工 作 結(jié) 束 0001 10 啟動 清 除 忙 完成 一次 操作 b)

11、 外設(shè)狀態(tài) 完成 外圍設(shè)備有三種狀態(tài)：外圍設(shè)備有三種狀態(tài)： 、時稱、時稱“空閑空閑”；、稱；、稱 “忙忙”， 、時稱、時稱“完成完成”（或叫（或叫“準(zhǔn)備好準(zhǔn)備好”） 見下面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：見下面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖： （）程序中斷方式（）程序中斷方式 （1）什么叫程序中斷？）什么叫程序中斷？ 程序中斷是一種工作方式，程序中斷是一種工作方式，CPU暫?，F(xiàn)行程序的執(zhí)暫停現(xiàn)行程序的執(zhí) 行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，以處理某個隨機(jī)事件，處理行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，以處理某個隨機(jī)事件，處理 完畢后自動回到原來程序處執(zhí)行，這一過程叫完畢后自動回到原來程序處執(zhí)行，這一過程叫“程序中程序中 斷斷”。 程序中斷過程與子程序

12、調(diào)用過程的不同之處主要在程序中斷過程與子程序調(diào)用過程的不同之處主要在 于：處理事件的隨機(jī)性。于：處理事件的隨機(jī)性。 （2）程序中斷方式控制主機(jī)與外設(shè)間信息傳送的特點(diǎn)：）程序中斷方式控制主機(jī)與外設(shè)間信息傳送的特點(diǎn)： CPU啟動外設(shè)后，不再主動查詢外設(shè)，而是由外設(shè)主啟動外設(shè)后，不再主動查詢外設(shè)，而是由外設(shè)主 動向提請求；響應(yīng)后再控制傳送。所以動向提請求；響應(yīng)后再控制傳送。所以 與外部設(shè)備之間的工作時間關(guān)系是并行的。與外部設(shè)備之間的工作時間關(guān)系是并行的。 （）方式（）方式 特點(diǎn)：方式是直接依靠硬件控制在外設(shè)與存特點(diǎn)：方式是直接依靠硬件控制在外設(shè)與存 儲器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送的一種工作方式，在傳期間不儲

13、器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送的一種工作方式，在傳期間不 需要的介入。所以，與外設(shè)是并行工作的。需要的介入。所以，與外設(shè)是并行工作的。 方式有三種模式：方式有三種模式： （1）暫停）暫停CPU訪問內(nèi)存法訪問內(nèi)存法 （2）周期挪用法（也叫周期竊取法）周期挪用法（也叫周期竊取法） （3）DMA與與CPU交替訪問內(nèi)存法。交替訪問內(nèi)存法。 三種方式的時間關(guān)系比較見下面的圖：三種方式的時間關(guān)系比較見下面的圖： m P T 0 T 1 工作 周期i 工作周 期i+1 多級時序示意圖多級時序示意圖 3.2 3.2 算術(shù)邏輯運(yùn)算部件算術(shù)邏輯運(yùn)算部件 3.2.1 加法單元加法單元 i+1 i CiAiBi C 用半加器構(gòu)

14、成的全加器 3.2.2 并行加法器與進(jìn)位鏈結(jié)構(gòu)并行加法器與進(jìn)位鏈結(jié)構(gòu) An-1Bn-1 Cn-1 C n n-1 A1B1 C 1 A0B0 0 C2C0C1 1、串行進(jìn)位加法器、串行進(jìn)位加法器 行波進(jìn)位加法器邏輯圖 C1C2C3C4 0 P0P1P2P3G3G2G1G0 C 2、并行進(jìn)位鏈、并行進(jìn)位鏈 四四位位并并行行加加法法器器 15 12 A15B15A12B12 C16 四四位位并并行行加加法法器器 11 8 A11B11A8B8 C12 四四位位并并行行加加法法器器 7 4 A7B7A4B4 C8 四四位位并并行行加加法法器器 3 0 A3B3A0B0 C4 C0 組內(nèi)并行,組間串行

15、的16位加法器 3、組內(nèi)并行、組間串行進(jìn)位加法器、組內(nèi)并行、組間串行進(jìn)位加法器 四四位位并并行行加加法法器器 A15B15A12B12 12 四四位位并并行行加加法法器器 A11B11A8B8 11 8 四四位位并并行行加加法法器器 A7B7A4B4 7 4 四四位位并并行行加加法法器器 A3B3A0B0 3 0 C16C12C8C4 C0 15 P 3 G3 * P 3 G3 * P 2 G2 * P 1 G1 * 組組間間并并行行進(jìn)進(jìn)位位鏈鏈 (1級) 4、 組內(nèi)并行、組間并行進(jìn)位加法器組內(nèi)并行、組間并行進(jìn)位加法器 Fi Xi Yi S3S2 Bi S1S 0 Ci-1MAi 3.2.3 ALU單元與多位單元與多位ALU部件部件 鎖 存 器 1鎖 存 器 2 M S0