計(jì)算機(jī)組成原理-中央處理器(cpu)

計(jì)算機(jī)組成原理

中央處理器CPU

中國地質(zhì)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

2

J

V2.0

主要內(nèi)容

口CPU的功能和組成

口控制器控制原理

□指令周期（★★★）

口時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

口微程序控制器（★★★）

□微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

□硬布線控制器

口流水線處理器

3

CPU的組成和功能

□CPU的功能

口CPU的組成

□CPU中的主要寄存器

口操作控制器

口時(shí)序產(chǎn)生器

4

CPU的J）J能

□取出指令并執(zhí)行指令的部件-…-CPU

■指令控制：指令執(zhí)行的順序控制；

□程序是一個(gè)指令序列，這些指令的相互順序不能任

意顛倒，必須嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序進(jìn)行。（首要

任務(wù)）

■操作控制：產(chǎn)生各種操作信號(hào)；

□解釋指令的操作碼，通過若干操作信號(hào)組合控制來

實(shí)現(xiàn)指令功能。

■時(shí)間控制：控制操作信號(hào)的發(fā)生時(shí)間；

口完成一條指令的若干操作信號(hào)定時(shí)，有序執(zhí)行。

■數(shù)據(jù)加工：--ALU.算術(shù)/邏輯運(yùn)算；（根本任務(wù)）

■異常處理：接收、控制、管理信號(hào)資源及異常情況。

5

CPU的組成

口運(yùn)算器

■算術(shù)運(yùn)算/邏輯運(yùn)算

■累加器、狀態(tài)條件寄存器、緩存寄存器、移碼器、鎖

存器、求補(bǔ)器等。

口控制器

■從內(nèi)存取出一條指令，并指出下條指令的地址

■對(duì)指令進(jìn)行譯碼,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)

■指揮并控制CPU,內(nèi)存和I/。設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送

■程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器

、操作控制器、地址寄存器等。

時(shí)鐘

狀態(tài)

操作控制器反微

命時(shí)序產(chǎn)生器

基

指令

本譯碼器

狀態(tài)條件寄存器

組n

〉/指令寄存器TR6

)輸入/輸出

成C

結(jié)TV

構(gòu)數(shù)據(jù)總線DBUS

程序計(jì)數(shù)器PC

nlzL

’地址寄存器AR

地址總線ABUS

CPU

圖5.1CPU的結(jié)構(gòu)

7

CPU中的主要寄存器

□PC(ProgramCounter)--程序計(jì)數(shù)器

□AR(AddressRegister)一地址寄存器

□DR(DataRegister)--數(shù)據(jù)緩沖寄存器

□IR(lnstructionRegister)……指令寄存器

□AC(AccumulateCount)…累加寄存器

□PSW(ProgramStatusWord)程序狀態(tài)字

8

PC

口為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，CPU如何確定下一條

指令的地址？

□程序計(jì)數(shù)器，又稱指令計(jì)數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前，首先

將起始地址，即程序的第一條指令所在的內(nèi)存單元地址送入

PC,因此PC的內(nèi)容即是從內(nèi)存提取的第一條指令的地址。

□當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，CPU將自動(dòng)修改PC的內(nèi)容，以便使其保持

的總是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。由于多數(shù)指令都是按

順序來執(zhí)行的，修改的過程通常只是簡單的對(duì)PC加1。

□當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令如JMP指令時(shí)，那么后繼指令的地址（即

PC的內(nèi)容）必須從指令的地址段取得。在這種情況下，下一

條從內(nèi)存取出的指令將由轉(zhuǎn)移指令來規(guī)定，而不是像通常一

樣按順序來取得。因此程序計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是具有寄存信

息和計(jì)數(shù)兩種功能的結(jié)構(gòu)。

9

AR

口地址寄存器用來保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址。內(nèi)

存和CPU之間存在操作速度上的差別，所以必須使用地址寄

存器來保持地址信息，直到內(nèi)存的讀/寫操作完成為止。

口當(dāng)CPU和內(nèi)存進(jìn)行信息交換，即CPU向內(nèi)存存/取數(shù)據(jù)時(shí)，或

者CPU從內(nèi)存中讀出指令時(shí)，都要使用地址寄存器和數(shù)據(jù)緩

沖寄存器。同樣，如果我們把外圍設(shè)備的設(shè)備地址作為像內(nèi)

存的地址單元那樣來看待，那么，當(dāng)CPU和外圍設(shè)備交換信

息時(shí)，我們同樣使用地址寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器。

口地址寄存器的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)緩沖寄存器、指令寄存器一樣，通

常使用單純的寄存器結(jié)構(gòu)。信息的存入一般采用電位-脈沖方

式，即電位輸入端對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)信息位，脈沖輸入端對(duì)應(yīng)控制信

號(hào)，在控制信號(hào)作用下，瞬時(shí)地將信息打入寄存器。

10

DR

口數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來暫時(shí)存放由內(nèi)存儲(chǔ)器讀出的一條

指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字；反之，當(dāng)向內(nèi)存存入一條指令或一

個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí)，也暫時(shí)將它們存放在數(shù)據(jù)緩沖寄存器中。

口緩沖寄存器的作用是：

(1)作為CPU和內(nèi)存、外部設(shè)備之間信息傳送的中轉(zhuǎn)站；

(2)補(bǔ)償CPU和內(nèi)存、外圍設(shè)備之間在操作速度上差別；

(3)在單累加器結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器中，數(shù)據(jù)緩沖寄存器還可兼

作為操作數(shù)寄存器。

11

IR

口指令寄存器

□IR用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條

指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到DR中，然后再傳送至IR

O指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進(jìn)制數(shù)字

組成。為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)

行測(cè)試，以便識(shí)別所要求的操作。指令譯碼器就是

做這項(xiàng)工作的。指令寄存器中操作碼字段的輸出就

是指令譯碼器的輸入。操作碼一經(jīng)譯碼后，即可向

操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號(hào)。

12

AC

口累加寄存器AC通常簡稱為累加器，它是一個(gè)通用寄

存器。其功能是：當(dāng)運(yùn)算器的算術(shù)邏輯單元ALU）執(zhí)

行算術(shù)或邏輯運(yùn)算時(shí)，為ALU提供一個(gè)工作區(qū)。累

加寄存器暫時(shí)存放ALU運(yùn)算的結(jié)果信息。顯然，運(yùn)

算器中至少要有一個(gè)累加寄存器。

□目前CPU中的累加寄存器，多達(dá)16個(gè)，32個(gè)，甚至

更多。當(dāng)使用多個(gè)累加器時(shí)，就變成通用寄存器堆

結(jié)構(gòu)，其中任何一個(gè)可存放源操作數(shù)，也可存放結(jié)

果操作數(shù)。在這種情況下，需要在指令格式中對(duì)寄

存器號(hào)加以編址。

13

P9/V

口狀態(tài)條件寄存器保存由算術(shù)指令和邏輯指令運(yùn)行或

測(cè)試的結(jié)果建立的各種條件碼內(nèi)容，如運(yùn)算結(jié)果進(jìn)

位標(biāo)志(C),運(yùn)算結(jié)果溢出標(biāo)志(V),運(yùn)算結(jié)果為零

標(biāo)志(Z),運(yùn)算結(jié)果為負(fù)標(biāo)志(N)等等。這些標(biāo)志位

通常分別由1位觸發(fā)器保存。

□除此之外，狀態(tài)條件寄存器還保存中斷和系統(tǒng)工作

狀態(tài)等信息，以便使CPU和系統(tǒng)能及時(shí)了解機(jī)器運(yùn)

行狀態(tài)和程序運(yùn)行狀態(tài)。因此，狀態(tài)條件寄存器是

一個(gè)由各種狀態(tài)條件標(biāo)志拼湊而成的寄存器。

14

控制器基本組成

□PC(ProgramCounter)--程序計(jì)數(shù)器

□IR(InstructionRegister)……指令寄存器

□ID(InstructionDecoder)一指令譯碼器

□OC(OperateController)…操作控制器

□TG(TimerGenerator)…時(shí)序發(fā)生器

15

操作控制器

口數(shù)據(jù)通路是許多寄存器之間傳送信息的通路。

口操作控制器的功能：根據(jù)指令操作碼和地址碼，產(chǎn)生

各種控制信號(hào)序列,建立正確的數(shù)據(jù)通路，從而完成

取指令和執(zhí)行指令的控制。

□根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，操作控制器可分為時(shí)序邏輯型

、存儲(chǔ)邏輯型、時(shí)序邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型三種。

■硬布線控制器（時(shí)序邏輯型）（硬件實(shí)現(xiàn)）

■微程序控制器（存儲(chǔ)程序型）（軟件實(shí)現(xiàn)）

16

時(shí)序產(chǎn)生器

口產(chǎn)生各種時(shí)序信號(hào)（電位，脈沖）;

口對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制O

17

CPU的主要參數(shù)

1、字長

2、時(shí)鐘頻率：主頻和外頻，主頻=外頻X倍頻

3、片內(nèi)Cache容量和速率

4、工作電壓：早期CPU工作電壓為5V,PHICPU的電

壓為L7V,P4的電壓vl.5V(l.35,l.4)

5、地址總線和數(shù)據(jù)總線寬度

6、制造工藝：在。.25微米的生產(chǎn)工藝最高可以達(dá)到

600MHz的頻率。而0.18微米的生產(chǎn)工藝CPU可達(dá)到G

赫茲的水平上。0.13微米生產(chǎn)工藝的Pentium4CPU。

例如，P42.4C：主頻為2.4GHz,外頻為200MHz,

倍頻為10;并集成512K二級(jí)緩存，支持800MHz前端

總線；P42.26B：主頻為2.26GHz,外頻為133MHz

，倍頻為17；并集成512K二級(jí)緩存，支持533MHz前

端總線。

18

運(yùn)算器結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)總線DBUS#

19

ADDAX,BX

數(shù)據(jù)總線DBUS

20

ADDAX,[30]

數(shù)據(jù)總線DBUS

21

II

CPU

PSWALU糜作控制器OC執(zhí)行指令控制

PSW時(shí)序產(chǎn)生器TG

指令建碼造

程序計(jì)數(shù)器AC

000000J7

PC累加器

指令寄存器

ACIR

IR

地址寄存器

ARDR

緩沖寄L存器DR

71

地址總線20CLA數(shù)據(jù)總線

ABUS21ADD30DBUS

22STA40

23NOP

24JMP21

30000006CPU基本結(jié)構(gòu)

4000000412

22

J

主機(jī)基本組成

時(shí)

序

產(chǎn)

生

器

PG)

LDRn

23

V2.0

主要內(nèi)容

口CPU的功能和組成

口控制器控制原理

口指令周期（★★★）

口時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

口微程序控制器（★★★）

□微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

□硬布線控制器

口流水線處理器

24

指令周期

口指令周期基本概念

□CLA指令周期

□ADD指令周期

□STA指令周期

□NOP指令周期

□JMP指令周期

25

指令周期

□時(shí)鐘周期：節(jié)拍脈沖，T周期。單位時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器

重復(fù)出現(xiàn)的脈沖次數(shù)稱為頻率，每個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都規(guī)定

了時(shí)鐘脈沖的最高頻率，稱為主頻。頻率的倒數(shù)即為時(shí)

鐘周期。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的

最小時(shí)間度量單位。

□CPU周期：機(jī)器周期，從內(nèi)存讀出一條指令的最短時(shí)

間。機(jī)器周期內(nèi)完成的操作為子操作，其中包含若干個(gè)

時(shí)鐘脈沖控制下的微操作。

□指令周期：從內(nèi)存取一條指令并執(zhí)行該指令所用的時(shí)

間。

■由若干個(gè)CPU周期組成。

■CPU周期又包含若干時(shí)鐘周期（節(jié)拍脈沖）

26

J

指令周期

□指令周期由若干個(gè)（不同）機(jī)器周期組成（2?5個(gè)）

,機(jī)器周期由若干個(gè)時(shí)鐘周期組成，每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)

在節(jié)拍信號(hào)的作用下完成一個(gè)微操作。

□時(shí)鐘周期是固定不變的，機(jī)器周期、指令周期可以是

固定的、也可以是可變的。

工周期」

機(jī)器周期（取指令）機(jī)器周期（執(zhí)行指令）

指令周期

圖5.3指令周期

27

指令周期基本概念

□取指令周期

□取操作數(shù)周期（可無）

口執(zhí)行周期

28

五條指令的執(zhí)行指令周期及過程

八進(jìn)制地址八進(jìn)制內(nèi)容助記符

020250000CLA

021030030ADD30

022021031STA40

023000000NOP

024140021JMP21

***

***

030000006數(shù)據(jù)

031000040數(shù)據(jù)

***

**

040存和數(shù)單元數(shù)據(jù)

29

CLA指令周期

取指令階段執(zhí)行指令階段

31

執(zhí)行過程的操作

□PC-AR

□PC+1-PC

□AR-ABUS

□RAM-DBUS-DR

□DR-IR

□操作碼譯碼或測(cè)試（識(shí)別CLA指令，指令取值結(jié)束）

口操作控制器送控制信號(hào)到ALU

□O-AC（執(zhí)行清零，指令執(zhí)行結(jié)束）

32

ADD指令周期

取指令階段執(zhí)行指令階段

數(shù)據(jù)總線

DBUS

ADD指令

34

I?

操作控制器^執(zhí)行指令控制

ALU

時(shí)序產(chǎn)生器

指令譯后和

程序建數(shù)器。。。@0006

022

I累A加器c▲~ADD30l指令寄存器

d1_JIR

地址寄存器000030

AR006

緩沖寄存器DR

地址總線20CLA數(shù)據(jù)總線

ABUS21ADD30DBUS

IR-AR（送OP地址）22STA40

23NOP

24JMP21

—ABUS—RAM

—DBUSTDR30000006

-ALU（執(zhí)行相加）ADD指令

ALU—AC40000-0041/

35

ADD執(zhí)行過程的操作

□PC-AR

□PC+l-PC

□AR-ABUS-RAM-DBUS-DR

□DR-IR

□IR(A)-AR-ABUS-RAM

□一DBUS-DR-ALU

口ALU-AC

36

STA40指令周期

取指令階段執(zhí)行指令階段

37

inn

ALU操作控制器執(zhí)行指令控制

時(shí)序產(chǎn)生器

指令譯碼器

程唯數(shù)器。。。023000006

累加器

ACSTA40

IR

地址寄存器000040

ARSTA40

緩沖寄存器DR000006

71

地址總線ZCLA數(shù)據(jù)總線

ADD30

ABUSDBUS

IR(A)->ARTABUS1STA40

(送操作數(shù)地址)23NOP

24JMP21

AC—DR30000006STA指令

DR—DBUS―RAM

（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)）40odo-006IF

38

執(zhí)行過程的操作

□PC-AR

□PC+1-PC

□AR-ABUS-RAM-DBUS-DR

□DR-IR

□IR(A)-AR-ABUS

□AC-DR

□DR-DBUS-RAM

39

NOP指令周期

1個(gè)CPU周期□個(gè)CPU周期：

<..............H.....................X

取指令階段執(zhí)行指令階段

40

JMP21指令周期

1個(gè)CPU周期□個(gè)CPU周期：

一.............H.................

取指令階段執(zhí)行指令階段

41

TTTTJ

ALU操作控制器執(zhí)行指令控制

時(shí)序產(chǎn)生器

指令譯碼器

程序計(jì)數(shù)器000006

000022

PC累加器

JMP21指令寄存器

AC

IR

地址寄存器jooo02i

ARJMP21

緩沖寄L存器DR

地址總線20CLA數(shù)據(jù)總線

21ADD30

ABUSDBUS

22STA40

23NOP

IR(A)―PC24JMP21

■JMP21指令

30000006

■

40000006

42

執(zhí)行過程中的操作

□PC-AR

□PC+1-PC

□AR-ABUS-RAM-DBUS-DR

□DR-IR

□IR(A)-PC

□Nextcommand

43

___I

方框圖表示

下一條指令PC—AR—RAM

,DBUSTDRTIR

取指令PC+1

譯碼測(cè)試

44

公操作

□一條指令執(zhí)行完后，CPU所進(jìn)行的一些操作。

口對(duì)外設(shè)請(qǐng)求的處理（中斷，通道）

口若無外設(shè)請(qǐng)求的處理，CPU則轉(zhuǎn)而取下條指令。

□由于取指令是每條指令都有的，所以，取指令也是

公操作。

主機(jī)基本組成--指令執(zhí)行過程另一個(gè)例子

BUS

時(shí)

序

產(chǎn)

生

器

PG)

LDR0

46

主機(jī)基本組成PC—AR

DR

主存

時(shí)

序

產(chǎn)

生

器

/

VTG)

LDR0

47

主機(jī)基本組成MEM一DR

時(shí)

序

產(chǎn)

生

器

/

VTG)

操作控制信號(hào)AR—ABUS

RD

LDDR

LDR0

48

主機(jī)基本組成DR一IR

BUS

＜、武

木)七----/

IR

ITD

操作

控制器

(OC)

,1

DR一BUS

LDIR

執(zhí)行指令過程ADDRO,(81)

攆作控制信號(hào)RO->LA

IR(A)->AR

MM->DR

LDRa

50

執(zhí)行指令過程ADDRO,(81)

LDRa

52

雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路（例子）

A忍線

B總線

執(zhí)行指令A(yù)DDR0,R2

A忍線

B總線

54

“ADDR2,RO”指令的指令周期框圖

55

主要內(nèi)容

口CPU的功能和組成

口控制器控制原理

□指令周期（★★★）

口時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

口微程序控制器（★★★）

□微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

□硬布線控制器

口流水線處理器

56

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

□時(shí)序信號(hào)來自CPU時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器。機(jī)器一旦被啟動(dòng)

，即CPU開始取指令并執(zhí)行指令時(shí)，操作控制器就利用

定時(shí)脈沖的順序和不同的脈沖間隔，有條理、有節(jié)奏地

指揮機(jī)器的動(dòng)作，規(guī)定在這個(gè)脈沖到來時(shí)做什么，在那

個(gè)脈沖到來時(shí)又做什么。

口問題：用二進(jìn)制碼表示的指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里，

CPU是怎樣識(shí)別出它們是數(shù)據(jù)還是指令呢？

口從時(shí)間上來說，取指令是在指令周期的第一個(gè)CPU周

期，即“取指令”階段；而取數(shù)據(jù)是在指令周期的后面

幾個(gè)CPU周期中，即“執(zhí)行指令”階段。從空間上來說

,如果取出的代碼是指令，則送指令寄存器，如果取

出的代碼是數(shù)據(jù)，則送運(yùn)算器。

57

時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

□計(jì)算機(jī)采用多級(jí)時(shí)序機(jī)制：

■硬布線控制器，時(shí)序信號(hào)往往采用主狀態(tài)周期-節(jié)

拍電位-節(jié)拍脈沖三級(jí)機(jī)制。

■微程序控制器，時(shí)序信號(hào)比較簡單，一般采用節(jié)

拍電位-節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。節(jié)拍電位表示一個(gè)

CPU周期的時(shí)間，而節(jié)拍脈沖把一個(gè)CPU周期劃

分成幾個(gè)較小的時(shí)間間隔。

58

時(shí)序發(fā)生器

MREQIORQTiT2T3T4RDWE

啟動(dòng)

停機(jī)

MREQiRD'

IORQ'-WE'

脈沖發(fā)生器時(shí)鐘源

59

環(huán)形脈沖發(fā)生器與讀寫時(shí)序

MREQ°IORQ0T4T；RD0T?T?WE0

60

電路說明

□4個(gè)觸發(fā)器輸入輸出串聯(lián)構(gòu)成循環(huán)移位電路

口D觸發(fā)器R/S端分別為Reset和Set

□ClC2C3時(shí)鐘信號(hào)為上跳沿

□C4時(shí)鐘信號(hào)為下跳沿

61

C4C1C2C3

CLR上跳沿1000

下跪沿0000

上跳沿0100

上跳沿0110

上跪沿0111

下跳沿1111

上跳沿1000

62

12345678910

±TLnJ-LrLrLrLrLn_rLTL

C4'!!

Ci

1

c2

c3

Tj

T2

T3

T0r

4RD=C2-RD

WE°=C^Er

RD

WE

機(jī)器周期機(jī)器周期

63

啟停控制邏輯

TiT2T3T4RDWE

工JL.

&&

RD0WE°

64

V2.0

控制方式

□每條指令和每個(gè)操作控制信號(hào)所需的時(shí)間各不相同

，形成控制不同操作序列的時(shí)序信號(hào)的方法，稱為控

口常用的有同步控M、異步控制、聯(lián)合控制三種方式

O其實(shí)質(zhì)則反映了時(shí)