第6章+中央處理器

1、第6章 中央處理器6.1 CPU的功能及組成的功能及組成6.2 指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程6.3 時(shí)序部件時(shí)序部件6.4 微操作控制器微操作控制器6.5 CPU6.6 多媒體多媒體CPU6.7 CPU結(jié)構(gòu)舉例結(jié)構(gòu)舉例2l當(dāng)前世界上大多數(shù)計(jì)算機(jī)的中央處理機(jī)由當(dāng)前世界上大多數(shù)計(jì)算機(jī)的中央處理機(jī)由下述兩種方法實(shí)現(xiàn)：下述兩種方法實(shí)現(xiàn)：l(1) 采用半導(dǎo)體公司采用半導(dǎo)體公司(工廠工廠)生產(chǎn)的微處理器構(gòu)成生產(chǎn)的微處理器構(gòu)成通用的或?qū)Ｓ玫挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)以及工作站等。通用的或?qū)Ｓ玫挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)以及工作站等。l(2) 一些計(jì)算機(jī)公司采用自行設(shè)計(jì)制造的芯片一些計(jì)算機(jī)公司采用自行設(shè)計(jì)制造的芯片來構(gòu)成大、中、小型計(jì)算機(jī)的

2、來構(gòu)成大、中、小型計(jì)算機(jī)的CPU。lIntel 80386 微機(jī)系統(tǒng)框圖及功能如下：微機(jī)系統(tǒng)框圖及功能如下：6.1 CPU的功能及組成的功能及組成Intel 80386微機(jī)系統(tǒng)框圖是系統(tǒng)中主要的處理、控制是系統(tǒng)中主要的處理、控制部件，從存儲(chǔ)器中取出的指部件，從存儲(chǔ)器中取出的指令主要在令主要在80386中處理中處理機(jī)器加電由它產(chǎn)生整機(jī)復(fù)機(jī)器加電由它產(chǎn)生整機(jī)復(fù)位信號(hào)位信號(hào)(reset)，使計(jì)算機(jī)各，使計(jì)算機(jī)各個(gè)部件處于初始狀態(tài)個(gè)部件處于初始狀態(tài)擴(kuò)充了擴(kuò)充了80386指令指令系統(tǒng)，主要完成浮系統(tǒng)，主要完成浮點(diǎn)運(yùn)算和高精度整點(diǎn)運(yùn)算和高精度整數(shù)運(yùn)算。數(shù)運(yùn)算。80386自自動(dòng)將取得的協(xié)處理動(dòng)將取得的協(xié)處理

3、器指令傳送給器指令傳送給80387。80386通過總線與存儲(chǔ)通過總線與存儲(chǔ)器、器、IO設(shè)備交換信設(shè)備交換信息息存放數(shù)據(jù)、指令以及存放數(shù)據(jù)、指令以及完成輸入輸出操作的完成輸入輸出操作的系統(tǒng)。系統(tǒng)。CPU與與IO設(shè)備之間傳送信息設(shè)備之間傳送信息時(shí)由于時(shí)由于CPU的速度比的速度比IO設(shè)備設(shè)備快，為了不浪費(fèi)快，為了不浪費(fèi)CPU時(shí)間，時(shí)間，CPU采取分時(shí)并行工作。采取分時(shí)并行工作。4lIntel 80386包括指令部件、執(zhí)行部件指令部件、執(zhí)行部件和存儲(chǔ)管理部件和存儲(chǔ)管理部件等。l指令部件完成取指及指令譯碼功能，并產(chǎn)生控指令部件完成取指及指令譯碼功能，并產(chǎn)生控制信號(hào)制信號(hào)l執(zhí)行部件包括執(zhí)行部件包括ALU、

4、乘法部件、寄存器組等、乘法部件、寄存器組等l存儲(chǔ)管理部件用來確定存儲(chǔ)器地址。存儲(chǔ)管理部件用來確定存儲(chǔ)器地址。80386結(jié)構(gòu)及外部連線結(jié)構(gòu)及外部連線Intel 80386引出端信號(hào)引出端信號(hào) 32位數(shù)據(jù)總線，是傳位數(shù)據(jù)總線，是傳送數(shù)據(jù)的雙向總線送數(shù)據(jù)的雙向總線是是32位地址線，其中位地址線，其中A0，A1在在80386內(nèi)部轉(zhuǎn)換成內(nèi)部轉(zhuǎn)換成“字節(jié)使能字節(jié)使能”分別是字節(jié)分別是字節(jié)0字節(jié)字節(jié)3的選的選擇信號(hào)，符號(hào)擇信號(hào)，符號(hào)表示低電位表示低電位有效。有效。輸入到輸入到80386的時(shí)鐘的時(shí)鐘總清或復(fù)位信號(hào)總清或復(fù)位信號(hào)6中央處理器CPUl馮諾依曼機(jī)馮諾依曼機(jī)l運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入運(yùn)算器、控制器

5、、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備lCPU的定義的定義l運(yùn)算器運(yùn)算器+控制器控制器l運(yùn)算器：實(shí)施算術(shù)邏輯運(yùn)算，運(yùn)算器：實(shí)施算術(shù)邏輯運(yùn)算，ALUl控制器：計(jì)算機(jī)的指揮中心，對(duì)程序規(guī)定的控制器：計(jì)算機(jī)的指揮中心，對(duì)程序規(guī)定的控制信息進(jìn)行分析、控制和協(xié)調(diào)，使計(jì)算機(jī)控制信息進(jìn)行分析、控制和協(xié)調(diào)，使計(jì)算機(jī)中各個(gè)部件協(xié)同工作中各個(gè)部件協(xié)同工作控制器：控制器：取指、譯碼、數(shù)據(jù)流控制取指、譯碼、數(shù)據(jù)流控制7中央處理器CPUlCPU的功能的功能l指令控制：控制指令序列的執(zhí)行指令控制：控制指令序列的執(zhí)行l(wèi)操作控制：控制單個(gè)指令執(zhí)行和部件間協(xié)同操作控制：控制單個(gè)指令執(zhí)行和部件間協(xié)同l時(shí)序控制：控制操作信號(hào)的時(shí)間序列時(shí)

6、序控制：控制操作信號(hào)的時(shí)間序列l(wèi)數(shù)據(jù)加工：算術(shù)和邏輯運(yùn)算數(shù)據(jù)加工：算術(shù)和邏輯運(yùn)算運(yùn)算器與控制器的功能集合運(yùn)算器與控制器的功能集合8中央處理器CPU 寄存器的組織和功能寄存器的組織和功能 數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路9寄存器緩沖寄存器緩沖寄存器 DRCPU與主存、外設(shè)的信與主存、外設(shè)的信息中轉(zhuǎn)（數(shù)據(jù)、指令）息中轉(zhuǎn)（數(shù)據(jù)、指令）數(shù)據(jù)緩沖，補(bǔ)償數(shù)據(jù)緩沖，補(bǔ)償CPU與與主存、外設(shè)間的時(shí)序差異主存、外設(shè)間的時(shí)序差異為算術(shù)邏輯部件提供另為算術(shù)邏輯部件提供另一個(gè)操作數(shù)一個(gè)操作數(shù)10寄存器指令寄存器指令寄存器 IR保存當(dāng)前執(zhí)行的指令保存當(dāng)前執(zhí)行的指令11寄存器地址寄存器地址寄存器 AR當(dāng)前訪問的存儲(chǔ)器地當(dāng)前訪問的存儲(chǔ)器地

7、址或址或I/O端口地址端口地址12寄存器程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器 PC 下一條下一條指令在主存中指令在主存中的地址的地址順序執(zhí)行即可累加，順序執(zhí)行即可累加，累加值決定于指令字長累加值決定于指令字長分支轉(zhuǎn)移指令需視尋分支轉(zhuǎn)移指令需視尋址方式確定址方式確定PC值值13寄存器累加寄存器累加寄存器 AC數(shù)據(jù)源于緩沖寄存器數(shù)據(jù)源于緩沖寄存器或或ALU為為ALU提供操作數(shù)提供操作數(shù)14寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器 PSW保存執(zhí)行各類指令產(chǎn)保存執(zhí)行各類指令產(chǎn)生的狀態(tài)結(jié)果生的狀態(tài)結(jié)果作為后續(xù)指令的判斷作為后續(xù)指令的判斷條件條件15操作控制器數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路寄存器之間傳送信息的寄存器之間傳送信息的通路通路操作控制器操

8、作控制器在寄存器之間建立數(shù)據(jù)在寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路通路 硬布線控制器硬布線控制器 微程序控制器微程序控制器 可編程邏輯陣列可編程邏輯陣列建立怎樣的數(shù)據(jù)通路、何時(shí)建立建立怎樣的數(shù)據(jù)通路、何時(shí)建立16指令的執(zhí)行過程取指取指譯碼譯碼執(zhí)行執(zhí)行17指令周期l指令周期指令周期lCPU從主存取出一條指令到指令執(zhí)行完畢從主存取出一條指令到指令執(zhí)行完畢l機(jī)器周期（機(jī)器周期（CPU周期）周期）l指令周期的不同階段劃分為多個(gè)機(jī)器周期指令周期的不同階段劃分為多個(gè)機(jī)器周期l時(shí)鐘周期（節(jié)拍、時(shí)鐘周期（節(jié)拍、T周期）周期）lCPU處理操作的最小時(shí)間單位處理操作的最小時(shí)間單位18時(shí)序部件l時(shí)序部件時(shí)序部件l產(chǎn)生計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)

9、器指令過程中的產(chǎn)生計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)器指令過程中的時(shí)序信號(hào)時(shí)序信號(hào)l產(chǎn)生過各個(gè)機(jī)器周期中的產(chǎn)生過各個(gè)機(jī)器周期中的節(jié)拍節(jié)拍信息信息19機(jī)器周期（取指）機(jī)器周期（取指）機(jī)器周期（執(zhí)行指令）機(jī)器周期（執(zhí)行指令）指令周期指令周期T1T2 T3 T4T2 T3 T4T1機(jī)器周期（取指）機(jī)器周期（取指）機(jī)器周期（執(zhí)行）機(jī)器周期（執(zhí)行）指令周期指令周期T1T2 T3 T4T2 T3 T1定長機(jī)器周期組成的指令周期 不定長機(jī)器周期組成的指令周期 20l指令周期指令周期由若干個(gè)由若干個(gè)機(jī)器周期機(jī)器周期（CPU周期）組成。周期）組成。l所有指令周期的第一個(gè)機(jī)器周期都為所有指令周期的第一個(gè)機(jī)器周期都為取指周期取指周期。l

10、每個(gè)每個(gè)機(jī)器周期機(jī)器周期又由若干個(gè)節(jié)拍（時(shí)鐘周期）組又由若干個(gè)節(jié)拍（時(shí)鐘周期）組成。成。l根據(jù)指令操作的復(fù)雜程度不同，各種指令所需根據(jù)指令操作的復(fù)雜程度不同，各種指令所需的的機(jī)器周期機(jī)器周期也不同。也不同。214條典型指令組成的一個(gè)簡單程序條典型指令組成的一個(gè)簡單程序 指令地址（八進(jìn)制）指令內(nèi)容（八進(jìn)制）助記符020250 000CLA021030 030ADD 30022021 031 STAI 31023140 021JMP 21024000 000HLT030000 006031000 040040 xxx xxx ； 結(jié)果數(shù)據(jù)將累加器清零，屬非訪存指令將累加器清零，屬非訪存指令加法，屬

11、直接訪存指令加法，屬直接訪存指令存數(shù)操作，屬間接訪主存指令存數(shù)操作，屬間接訪主存指令程序控制指令程序控制指令22不需訪存指令的指令周期不需訪存指令的指令周期( CLA )l需要需要2個(gè)機(jī)器周期。個(gè)機(jī)器周期。l第第1個(gè)機(jī)器周期用來進(jìn)行取指和譯碼操作個(gè)機(jī)器周期用來進(jìn)行取指和譯碼操作l第第2個(gè)機(jī)器周期用于指令的執(zhí)行操作。個(gè)機(jī)器周期用于指令的執(zhí)行操作。 l在指令執(zhí)行階段，在指令執(zhí)行階段，CPU根據(jù)譯碼器輸出的根據(jù)譯碼器輸出的結(jié)果，進(jìn)行指令所需的操作。非訪主存指結(jié)果，進(jìn)行指令所需的操作。非訪主存指令的執(zhí)行過程如下圖令的執(zhí)行過程如下圖 23取指令取指令PC+1PC指令譯碼指令譯碼執(zhí)行指令執(zhí)行指令取下一條指

12、令取下一條指令第第1周期周期取指譯碼取指譯碼第第2周期周期指令執(zhí)行指令執(zhí)行24地址地址 指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)020 250 000 ; CLA021 030 030 ; ADD022 031 ; STA023 140 021 ; JMP024 000 000 ; HLT狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器累加器累加器020020250 000250 000指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序發(fā)生器時(shí)序發(fā)生器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線CPU+1微指令微指令時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)反饋狀態(tài)反饋ALU程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器地址寄存器地址寄存器緩沖寄存器緩沖寄存器指令寄存器指令寄存器取出取出CLA指令

13、數(shù)據(jù)通路指令數(shù)據(jù)通路020020 250 000 ; CLA250 000250 000250 000CPU識(shí)別是一條識(shí)別是一條非訪存非訪存CLA指令指令指令執(zhí)行階段指令執(zhí)行階段CLA控制信號(hào)控制信號(hào)000 00025直接訪存指令的指令周期直接訪存指令的指令周期(ADD 30)l需要需要3個(gè)機(jī)器周期。個(gè)機(jī)器周期。l第第1個(gè)機(jī)器周期用來進(jìn)行取指和譯碼操作個(gè)機(jī)器周期用來進(jìn)行取指和譯碼操作l第第2個(gè)機(jī)器周期用于送操作數(shù)地址。個(gè)機(jī)器周期用于送操作數(shù)地址。l第第3個(gè)機(jī)器周期進(jìn)行取操作數(shù)和執(zhí)行加法操作。個(gè)機(jī)器周期進(jìn)行取操作數(shù)和執(zhí)行加法操作。 l直接訪主存指令的執(zhí)行過程如下圖直接訪主存指令的執(zhí)行過程如下圖

14、26取指令取指令PC+1PC指令譯碼指令譯碼送操作數(shù)地址送操作數(shù)地址取操作數(shù)取操作數(shù)取指譯碼取指譯碼指令執(zhí)行指令執(zhí)行執(zhí)行指令執(zhí)行指令取下一條取下一條指令指令 第第1個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期 第第2個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期 第第3個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期27地址地址 指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)020 250 000 ; CLA021 030 030 ; ADD022 021 031 ; STA023 140 021 ; JMP024 000 000 ; HLT狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器000 000022250 000250 000指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序發(fā)生器時(shí)序發(fā)生器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)

15、總線地址總線地址總線CPU微指令微指令時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)反饋狀態(tài)反饋ALU程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器地址寄存器地址寄存器緩沖寄存器緩沖寄存器指令寄存器指令寄存器累加器累加器送操作數(shù)地址的數(shù)據(jù)通路送操作數(shù)地址的數(shù)據(jù)通路021030+128地址地址 指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)020 250 000 ; CLA021 030 030 ; ADD022 021 031 ; STA023 140 021 ; JMP024 000 000 ; HLT狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器000 000022250 000250 000指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序發(fā)生器時(shí)序發(fā)生器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器CPU微指令微指令時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)反

16、饋狀態(tài)反饋ALU程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器地址寄存器地址寄存器緩沖寄存器緩沖寄存器指令寄存器指令寄存器累加器累加器021030+1地址地址 指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)024 000 000 030 000 006 031 000 040040 xxx xxx 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器022030ADD 030指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序發(fā)生器時(shí)序發(fā)生器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線CPU微指令微指令時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)反饋狀態(tài)反饋ALU程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器地址寄存器地址寄存器緩沖寄存器緩沖寄存器指令寄存器指令寄存器030030 000 006000 006000 000000 006

17、取操作數(shù)和指令執(zhí)行取操作數(shù)和指令執(zhí)行29間接訪問主存指令間接訪問主存指令(STAI 31)l第第3條為條為STAI 31指令，是一條間接訪問主指令，是一條間接訪問主存的指令存的指令l由由4個(gè)機(jī)器周期組成。個(gè)機(jī)器周期組成。l取指、譯碼取指、譯碼l送地址指針?biāo)偷刂分羔榣取操作數(shù)地址取操作數(shù)地址l存儲(chǔ)結(jié)果存儲(chǔ)結(jié)果30取指取指PC+1PC指令譯碼指令譯碼送地址指針?biāo)偷刂分羔樔〕鋈〕龅刂返刂啡≈缸g碼取指譯碼指令執(zhí)行指令執(zhí)行執(zhí)行指令執(zhí)行指令第第1個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期 第第2個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期 第第3機(jī)器周期機(jī)器周期 第第4個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期取操作數(shù)取操作數(shù)取下取下一條一條指令指令31送地址指針?biāo)偷刂分?/p>

18、針地址地址 指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)024 000 000 030 000 006 031 000 040040 xxx xxx 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器000 006STI 031指令譯碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序發(fā)生器時(shí)序發(fā)生器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線CPU微指令微指令時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)反饋狀態(tài)反饋ALU程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器地址寄存器地址寄存器緩沖寄存器緩沖寄存器指令寄存器指令寄存器031 +1023 取操作數(shù)地址取操作數(shù)地址000 040 存儲(chǔ)結(jié)果存儲(chǔ)結(jié)果000 006 040 至此：至此：STAI 031指令結(jié)束指令結(jié)束32程序控制指令（程序控制指令（JMP 21）

19、l無條件轉(zhuǎn)移指令無條件轉(zhuǎn)移指令l無條件把無條件把PC的值修改為的值修改為021lJMP可以是直接尋址，也可以是間接尋址?？梢允侵苯訉ぶ罚部梢允情g接尋址。l如下圖所示：如下圖所示：33取指取指 PC+1PC 指令譯碼指令譯碼 送轉(zhuǎn)移地址送轉(zhuǎn)移地址 取下一條指令取下一條指令 取指譯碼取指譯碼 指令執(zhí)行指令執(zhí)行第第1個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期 第第2個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期 34地址地址 指令或數(shù)據(jù)指令或數(shù)據(jù)020 250 000 ; CLA021 030 030 ; ADD022 021 031 ; STA023 140 021 ; JMP024 000 000 ; HLT狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器023指令譯

20、碼器指令譯碼器操作控制器操作控制器時(shí)序發(fā)生器時(shí)序發(fā)生器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線CPU微指令微指令時(shí)鐘時(shí)鐘狀態(tài)反饋狀態(tài)反饋ALU程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器地址寄存器地址寄存器緩沖寄存器緩沖寄存器指令寄存器指令寄存器累加器累加器023+1024第一個(gè)機(jī)器周期結(jié)束第一個(gè)機(jī)器周期結(jié)束第二個(gè)機(jī)器周期結(jié)束第二個(gè)機(jī)器周期結(jié)束140 021 ; JMP35指令周期流程圖指令周期流程圖PCARABUSDBUSDRIR， PC+1 譯碼 0AC IRAR IRAR （AR）AR IRPCPCAR RDCLA ADD STAI JMP開始ARABUSDBUSDRDRALUALUAC RDWE取指周

21、期ARABUSACDRDRDBUS 公操作：表示一條指令已經(jīng)執(zhí)行完畢，公操作：表示一條指令已經(jīng)執(zhí)行完畢，CPU所開始進(jìn)行的一所開始進(jìn)行的一些操作，主要是些操作，主要是CPU對(duì)外設(shè)請(qǐng)求的處理，若沒有外設(shè)請(qǐng)求，對(duì)外設(shè)請(qǐng)求的處理，若沒有外設(shè)請(qǐng)求，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)入“取指令操作取指令操作”。36操作控制器數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路寄存器之間傳送信息的寄存器之間傳送信息的通路通路操作控制器操作控制器在寄存器之間建立數(shù)據(jù)在寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路通路 硬布線控制器硬布線控制器 微程序控制器微程序控制器 可編程邏輯陣列可編程邏輯陣列376.3 時(shí)序部件時(shí)序部件l節(jié)拍電位發(fā)生器節(jié)拍電位發(fā)生器計(jì)算機(jī)中最基本的信號(hào)。代碼傳送、運(yùn)算計(jì)算

22、機(jī)中最基本的信號(hào)。代碼傳送、運(yùn)算l節(jié)拍脈沖發(fā)生器節(jié)拍脈沖發(fā)生器代碼選通，是額外的信號(hào)代碼選通，是額外的信號(hào)一般是節(jié)拍做準(zhǔn)備，脈沖來工作。一般是節(jié)拍做準(zhǔn)備，脈沖來工作。l脈沖源脈沖源 脈沖源：脈沖源：機(jī)器主頻，產(chǎn)生一定頻率的脈沖機(jī)器主頻，產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖，是機(jī)器周期和信號(hào)作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖，是機(jī)器周期和工作脈沖的基準(zhǔn)信號(hào)。工作脈沖的基準(zhǔn)信號(hào)。6.4 微操作控制器微操作控制器控制器和運(yùn)算器一起組成了控制器和運(yùn)算器一起組成了CPU，即中央處，即中央處理器，控制器是整臺(tái)計(jì)算機(jī)的指揮系統(tǒng)。指揮理器，控制器是整臺(tái)計(jì)算機(jī)的指揮系統(tǒng)。指揮和控制全機(jī)的各個(gè)部分，使他們有條不紊的工

23、和控制全機(jī)的各個(gè)部分，使他們有條不紊的工作。作。本節(jié)內(nèi)容對(duì)建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念十分重要。本節(jié)內(nèi)容對(duì)建立計(jì)算機(jī)的整機(jī)概念十分重要。39 控制器的功能控制器的功能l計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理計(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理(或計(jì)算或計(jì)算)是通過程序是通過程序的執(zhí)行而實(shí)現(xiàn)的，程序是完成某個(gè)確定算法的執(zhí)行而實(shí)現(xiàn)的，程序是完成某個(gè)確定算法的指令序列，要預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中。控制的指令序列，要預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中?？刂破鞯淖饔檬强刂瞥绦虻膱?zhí)行，它必須具有以器的作用是控制程序的執(zhí)行，它必須具有以下基本功能：下基本功能：l1. 取指令取指令l程序執(zhí)行前，把其首地址送程序執(zhí)行前，把其首地址送PC，根據(jù)，根據(jù)PC的值，到內(nèi)存中的值，到

24、內(nèi)存中去取出指令放到去取出指令放到IR中，同時(shí)，中，同時(shí)，PC+1PC，或轉(zhuǎn)移地址，或轉(zhuǎn)移地址 PC，這樣自動(dòng)形成后繼指令的地址，取指過程完成。，這樣自動(dòng)形成后繼指令的地址，取指過程完成。 402. 分析指令分析指令l指令在指令在IR中進(jìn)行分析，對(duì)操作碼部分譯碼后，中進(jìn)行分析，對(duì)操作碼部分譯碼后，送至微操作序列形成部件，形成指令所對(duì)應(yīng)送至微操作序列形成部件，形成指令所對(duì)應(yīng)的一系列微操作，地址碼部分送至地址形成的一系列微操作，地址碼部分送至地址形成部件，形成操作數(shù)的有效地址。部件，形成操作數(shù)的有效地址。3. 執(zhí)行指令執(zhí)行指令l從有效地址中取出操作數(shù)，并按操作性質(zhì)完從有效地址中取出操作數(shù)，并按操作

25、性質(zhì)完成指令代表的各種操作。成指令代表的各種操作。l計(jì)算機(jī)不斷重復(fù)，順序的執(zhí)行上述三種基本計(jì)算機(jī)不斷重復(fù)，順序的執(zhí)行上述三種基本操作，直至遇到停機(jī)指令或外來干預(yù)為止。操作，直至遇到停機(jī)指令或外來干預(yù)為止。圖圖6.3 控制器基本組成框圖控制器基本組成框圖 42l微指令微指令 l在機(jī)器的一個(gè)在機(jī)器的一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，構(gòu)成一條微指令。微命令的組合，構(gòu)成一條微指令。 l微命令微命令 l控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令 l微操作微操作 l執(zhí)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作執(zhí)行部件接受微

26、命令后所進(jìn)行的操作 l微程序微程序 l一條機(jī)器指令的功能是用許多條微指令組成的序列來一條機(jī)器指令的功能是用許多條微指令組成的序列來實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)微指令序列通常叫做微程序?qū)崿F(xiàn)的，這個(gè)微指令序列通常叫做微程序 保存在只讀存儲(chǔ)器內(nèi)的專用程序代替邏輯控制保存在只讀存儲(chǔ)器內(nèi)的專用程序代替邏輯控制電路，以微程序形式保存控制信號(hào)電路，以微程序形式保存控制信號(hào)43微指令與微程序l程序程序 = 一系列的機(jī)器指令一系列的機(jī)器指令l機(jī)器指令機(jī)器指令 = 受控的數(shù)據(jù)通路和操作時(shí)序受控的數(shù)據(jù)通路和操作時(shí)序l微命令微命令 = 控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的控制命控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的控制命令令l微操作微操作 = 執(zhí)行部件接受命

27、令后進(jìn)行的操作執(zhí)行部件接受命令后進(jìn)行的操作微程序控制的基本思想：微程序控制的基本思想：把操作控制信號(hào)編成所把操作控制信號(hào)編成所謂的微指令，存放于只讀存儲(chǔ)器中。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行謂的微指令，存放于只讀存儲(chǔ)器中。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)讀出微指令，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)，使相應(yīng)時(shí)讀出微指令，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)，使相應(yīng)部件執(zhí)行規(guī)定的操作。部件執(zhí)行規(guī)定的操作。44微指令與微程序l微指令：微指令：一個(gè)一個(gè)CPU周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作周期中，一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。功能的微命令的組合。l微程序：微程序：一條機(jī)器指令的功能是用多條微指令一條機(jī)器指令的功能是用多條微指令組成的序列實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)序列稱為微程序。組成的序

28、列實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)序列稱為微程序。微程序控制器：微程序控制器：以保存在只讀存儲(chǔ)器內(nèi)的專用程以保存在只讀存儲(chǔ)器內(nèi)的專用程序代替邏輯控制電路，這種只讀存儲(chǔ)器被稱為控序代替邏輯控制電路，這種只讀存儲(chǔ)器被稱為控制存儲(chǔ)器，它以微程序形式保存控制信號(hào)。這種制存儲(chǔ)器，它以微程序形式保存控制信號(hào)。這種控制器稱為微程序控制器?？刂破鞣Q為微程序控制器。45微指令與微程序l微指令l實(shí)例：輸出換行、回車字符M_CRLF MACROMOV DL，0AHMOV AH，02HINT21HMOVDL，0DHINT21HADDAH，DLENDMIRARAR ABUSDBUS DR46微指令與微程序47微指令基本格式微指令基本格式。

29、 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 LDR1 LDR3 R1Y R2Y R3Y M RD LDIR PC+1 LDR2 R1X R2X DRX + LDDR LDAR P1 P2 直接地址直接地址操作控制操作控制順序控制順序控制1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 用來發(fā)出管理和指揮全機(jī)工作的控制信號(hào)用來發(fā)出管理和指揮全機(jī)工作的控制信號(hào)決定產(chǎn)生下一條決定產(chǎn)生下一條微指令的地址微指令的地址48微指令與微程序存放實(shí)現(xiàn)指令存放實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)的微程序系統(tǒng)的微程序?yàn)橹蛔x型

30、為只讀型決定要訪問的下一條微指令的地址決定要訪問的下一條微指令的地址保存一條微指保存一條微指令的操作控制令的操作控制字段和判別測(cè)字段和判別測(cè)試字段的信息試字段的信息微地址：微指令由控制存儲(chǔ)器讀出后直接給出下一條微指令的地址。微地址：微指令由控制存儲(chǔ)器讀出后直接給出下一條微指令的地址。地址轉(zhuǎn)移邏輯地址轉(zhuǎn)移邏輯微程序舉例：見教材微程序舉例：見教材18949微指令與微程序l機(jī)器指令與微指令的關(guān)系機(jī)器指令與微指令的關(guān)系l一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，后者由若干條微指一條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序，后者由若干條微指令序列組成。換言之，一條機(jī)器指令的操作被劃分令序列組成。換言之，一條機(jī)器指令的操作被劃分為若干微

31、指令完成。為若干微指令完成。l指令與主存相關(guān)，微指令與控制存儲(chǔ)器相關(guān)。指令與主存相關(guān)，微指令與控制存儲(chǔ)器相關(guān)。l指令對(duì)應(yīng)指令周期，微指令對(duì)應(yīng)機(jī)器周期（指令對(duì)應(yīng)指令周期，微指令對(duì)應(yīng)機(jī)器周期（CPU周周期）期）50微指令格式分類微指令格式分類 有兩種類型：有兩種類型： （1）水平型微指令）水平型微指令 指一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作控制信號(hào)的微指令，指一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作控制信號(hào)的微指令，是一種速度最快的微指令格式。前面所介紹的直接表示法、編碼是一種速度最快的微指令格式。前面所介紹的直接表示法、編碼表示法和混合表示法三種編碼方式的微指令都屬于水平型微指令。表示法和混合表示法三種編碼方式的微

32、指令都屬于水平型微指令。 （2） 垂直型微指令垂直型微指令 指采用類似機(jī)器指令結(jié)構(gòu)的微指令，一條垂直型微指令中只指采用類似機(jī)器指令結(jié)構(gòu)的微指令，一條垂直型微指令中只有有12個(gè)微操作命令，控制個(gè)微操作命令，控制12種微操作，這種微指令不強(qiáng)調(diào)并種微操作，這種微指令不強(qiáng)調(diào)并行控制功能。行控制功能。 垂直型微指令設(shè)置有微操作碼字段，由微操作碼規(guī)定微指令垂直型微指令設(shè)置有微操作碼字段，由微操作碼規(guī)定微指令的功能。一種的功能。一種16位的垂直型微指令的結(jié)構(gòu)如下：位的垂直型微指令的結(jié)構(gòu)如下：水平型微指令與垂直型微指令的比較水平型微指令與垂直型微指令的比較(1) 水平型微指令并行操作能力強(qiáng)，效率高，水平型微指

33、令并行操作能力強(qiáng)，效率高，靈活性強(qiáng)，垂直型微指令則差。靈活性強(qiáng)，垂直型微指令則差。(2) 水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短，垂直型微指令執(zhí)行時(shí)間長。直型微指令執(zhí)行時(shí)間長。(3) 由水平型微指令解釋指令的微程序，具有由水平型微指令解釋指令的微程序，具有微指令字比較長，但微程序短的特點(diǎn)。垂直型微指令字比較長，但微程序短的特點(diǎn)。垂直型微指令則相反，微指令字比較短而微程序長。微指令則相反，微指令字比較短而微程序長。(4) 水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令與指令比較相似，相對(duì)來說，比較容易掌指令與指令比較相似，相對(duì)來說，比較

34、容易掌握。握。 52 1、 馮馮諾依曼型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)諾依曼型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 1946年，馮年，馮諾依曼提出存儲(chǔ)程序的概念和一個(gè)完整諾依曼提出存儲(chǔ)程序的概念和一個(gè)完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的雛型，該結(jié)構(gòu)以運(yùn)算器為中心，由運(yùn)算器、的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的雛型，該結(jié)構(gòu)以運(yùn)算器為中心，由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成，指令與數(shù)據(jù)存控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成，指令與數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，所有的輸入放在存儲(chǔ)器中，所有的輸入/輸出活動(dòng)都必需經(jīng)過運(yùn)算器，如輸出活動(dòng)都必需經(jīng)過運(yùn)算器，如圖所示。圖所示。中央處理器中流水線技術(shù)的基本概念中央處理器中流水線技術(shù)的基本概念并行性的概念并行性的概念53 并行性并行性是指在

35、同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上是指在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作。性質(zhì)相同或不同的工作。 在時(shí)間上相互重疊，均存在并行性。在時(shí)間上相互重疊，均存在并行性。 n位串行進(jìn)位的并行加法器存在位串行進(jìn)位的并行加法器存在“并發(fā)性并發(fā)性” ； 讀寫由讀寫由8片存儲(chǔ)芯片（如片存儲(chǔ)芯片（如2164）組成）組成8位存儲(chǔ)器，存在位存儲(chǔ)器，存在“同時(shí)同時(shí)性性”； 2、并行性定義、并行性定義并行性并行性同時(shí)性同時(shí)性 兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生 并發(fā)性并發(fā)性 兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生 3、 并行性的等

36、級(jí)并行性的等級(jí) 從程序執(zhí)行的角度可劃分為從程序執(zhí)行的角度可劃分為4個(gè)級(jí)別：個(gè)級(jí)別：54指令內(nèi)部級(jí)指令內(nèi)部級(jí) 指令內(nèi)部微操作之間的并行指令內(nèi)部微操作之間的并行 指令級(jí)指令級(jí) 并行執(zhí)行兩條或多條指令并行執(zhí)行兩條或多條指令 任務(wù)級(jí)或過程級(jí)任務(wù)級(jí)或過程級(jí) 并行執(zhí)行多個(gè)過程或任務(wù)（程序段）并行執(zhí)行多個(gè)過程或任務(wù)（程序段）作業(yè)級(jí)或程序級(jí)作業(yè)級(jí)或程序級(jí) 在多個(gè)作業(yè)或程序間的并行在多個(gè)作業(yè)或程序間的并行 從數(shù)據(jù)處理的角度可分為從數(shù)據(jù)處理的角度可分為4個(gè)級(jí)別：個(gè)級(jí)別：字串位串字串位串 同時(shí)只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行逐位處理，最基本的串行同時(shí)只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行逐位處理，最基本的串行 處理處理字串位并字串位并 同時(shí)對(duì)一個(gè)字的所有位進(jìn)行處理，但字與字之間串行同時(shí)對(duì)一個(gè)字的所有位進(jìn)行處理，但字與字之間串行 處理處理 字并位串字并位串 同時(shí)對(duì)多個(gè)字的同一位進(jìn)行處理同時(shí)對(duì)多個(gè)字的同一位進(jìn)行處理 字并位并字并位并 同時(shí)對(duì)多個(gè)字的所有位或部分位進(jìn)行處理同時(shí)對(duì)多個(gè)字的所有位或部分位進(jìn)行處理 55 （1）時(shí)間重疊）時(shí)間重疊 時(shí)間重疊時(shí)間重疊 ：指多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊地：指多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊地 使用同一套硬件設(shè)備的各