计算机组成原理电子教案第6章.ppt

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1、第六章中央处理器计算机组成原理电子教案陆遥6.1CPU的功能和组成6.1.1CPU的主要功能6.1.2CPU的基本组成和结构6.2指令周期6.2.1指令周期的基本概念6.2.2指令周期分析举例6.2.3指令周期流程图6.3时序信号和时序产生器6.3.1时序信号的基本概念6.3.2控制器的控制方式6.3.3时序产生器的组成及工作原理6.4硬布线控制器6.4.1硬布线控制器的结构及工作原理6.4.2操作控制信号的设计6.4.3指令周期控制6.5微程序控制器6.5.1微程序控制原理6.5.2微指令的格式6.5.

2、3水平型微指令的编码方法6.5.4微程序的执行顺序控制6.5.5动态微程序设计6.6指令流水线6.6.1并行处理的概念6.6.2指令流水线的工作原理6.6.3多功能流水线6.6.4流水线的性能指标6.6.5影响指令流水线性能的主要因素6.6.6提高指令级并行度的技术6.6.7典型流水处理器举例6.1CPU的功能和组成6.1.1CPU的主要功能CPU的主要工作，就是按照程序指令的要求，完成所需的数据处理和控制任务。归纳起来，CPU应具有以下几个方面的基本功能：⑴指令控制功能。指令控制即程序执行顺序控制。⑵操

3、作控制功能。操作控制就是产生每条指令所需的操作信号，用以控制有关部件进行操作。⑶时间控制功能。时间控制就是控制各种操作的实施时间。⑷数据加工功能。数据加工就是对数据进行各类运算，以取得程序所要求的结果。⑸中断处理功能。6.1.2CPU的基本组成和结构1．运算器运算器是计算机的数据处理中心。运算器主要由ALU、通用寄存器组和状态条件寄存器PSW（也称处理器状态字）组成。2．中断系统CPU中的中断系统一般包含中断允许与禁止、接受中断请求和给予中断响应等功能。3．总线接口总线接口是CPU与外部的系统总线的接口，

4、用以实现与存储器和外围设备进行信息传送。CPU的总线接口主要由存储器地址寄存器MAR、存储器数据寄存器MDR和总线控制逻辑组成。4．内部数据通路内部数据通路是CPU内部的数据传送通路，用于在寄存器之间或寄存器与ALU之间传送数据。5．外部数据通路外部数据通路一般借助系统总线，将寄存器（MAR和MDR）与存储器和I/O模块连接起来。6．控制器控制器是计算机的控制中心，计算机中其他组成部分的工作，都是在控制器的控制下进行的。控制器的任务，就是按照程序的安排，对其中的各条指令依次进行处理，直到程序结束。指令的一

5、般处理过程是：⑴取指令。把本次要执行的一条指令从存储器中取出。⑵分析指令。对指令的操作码进行译码，确定指令的操作功能，并根据寻址方式特征，计算出操作数的有效地址。⑶执行指令。根据指令的操作需要，按规定的时间关系发出一系列操作控制信号，使有关的部件或设备执行所需的操作，以完成一条指令的操作功能。重复以上过程，就可以执行完整个程序。为了完成程序的执行，控制器需要有以下主要组成部件：⑴程序计数器（PC）。PC用于提供将要执行的下一条指令的地址。⑵指令寄存器（IR）。IR用于存放从存储器取出的指令。⑶指令译码器（

6、ID）。ID用于对指令的操作码进行识别，以确定指令的操作功能。⑷操作控制器。操作控制器用来产生计算机运行所需的各种操作信号。⑸时序产生器。时序产生器用于产生定时信号；定时信号的作用，是对操作控制器产生的操作信号实施时间上的控制。根据设计方法不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器两种。下图所示，为控制器的一般模型。归纳起来，控制器所控制的操作无外乎以下几类：⑴将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器。⑵将数据从一个寄存器传送到一个外部接口（如系统总线接口）。⑶将数据从一个外部接口传送到一个寄存器。⑷以寄存

7、器作为输入和输出，完成一个算术或逻辑运算。由此可见，控制器所控制的大多数操作都是数据传送操作，而数据传送是通过内部或外部的数据通路进行的，因此，控制数据在数据通路上正确传送，是控制器的主要工作。一个未采用内部总线的简化的CPU模型，如下图中虚线下方所示。【例6.1】指令“ADDA”的功能为(AC)+(A)→A，其中，AC是累加器，地址码A为直接寻址方式。试在图6.2的CPU模型上，完成这条指令从取指令开始的全部处理过程，写出每一步操作及所需的操作控制信号。解：分析CPU模型可知，从存储器取出的指令是先装入

8、MDR，然后再从MDR装入IR的，因此，指令中的地址码可以直接从MDR传送到MAR。指令“ADDA”的全部处理过程列于下表中。指令“ADDA”的处理过程图6.2操作步骤操作说明所需的控制信号取指令1MAR←(PC)指令地址送到存储器C2，C02MDR←存储器从存储器读出指令送到MDRCR，C53IR←(MDR)，ID←(IR(操作码))将指令送到IR，并译码C4，C134PC←(PC)+1PC加1，形成下条指令地址PC加1取操