中央处理器（cpu）课件

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1、第5章中央处理器（CPU）5.1控制器的基本概念5.2时序系统与控制方式5.3指令的执行过程5.4微程序控制原理5.5微程序设计举例5.6硬布线控制器5.7流水线处理技术5.8CPU举例15.1控制器的基本概念5.1.1控制器的功能5.1.2控制器的基本组成5.1.3控制器的实现方法控制器是计算机的控制和指挥中心，它负责对指令进行译码，产生一系列控制信号，指挥和协调计算机各部件工作。25.1.1控制器的功能1）操作控制功能2）指令顺序控制功能3）时序控制功能4）对异常和某些请求的处理功能（1）异常（2）中断（3）DMA请求或其它主控设备的总线请求3送AR5.1.2控制器的基本

2、组成指令部件时序部件41）指令部件（1）程序计数器PCPC是用来提供下一条要执行的指令的地址在程序顺序执行时，由PC自动增1功能提供下一条指令的地址。（2）指令寄存器IRIR用来存放当前从主存中取出的指令。指令存放于IR中，直到被下一条取出的指令所取代。5（3）指令译码器IDID的功能是对存放IR中的操作码进行译码。经ID输出的一系列控制电位反映该指令的操作性质。（4）地址形成部件地址形成部件的功能是根据指令的寻址方式，形成有效地址。有效地址地址寄存器AR(操作数的地址)有效地址PC(跳转的目标地址)62）时序部件时序部件是用来产生机器中的各种时序信号，对各种操作实施时间

3、上的控制。（1）时钟脉冲发生器时钟脉冲信号是机器的主频信号，为机器提供时间基准。它由外接高稳定度的晶体振荡器产生，具有一定占空比。例如：占空比1/37（2）启停线路开放和封锁脉冲，控制时序信号的发生和停止；保证起动时输出的第一个脉冲和停止时的最后一个脉冲都是完整的。（3）节拍信号发生器节拍信号分为节拍电位和节拍脉冲节拍电位：用于控制数据通路中代码的传送或数据的运算。节拍脉冲(工作脉冲）：用于寄存器接收代码的选通信号。83）微操作信号发生器根据指令操作码译码结果和时序信号及状态标志，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，完成取指令和执行指令的控制。通常把许多寄存器之间传

4、送信息的通路，称为“数据通路”。4）中断控制逻辑中断控制逻辑是用来控制中断处理的硬件逻辑，对于某些外部中断的处理，需要外部中断逻辑配合完成。95.1.3控制器的实现方法硬布线控制器根据译出的指令各字段的含义，并结合当前工作状态及时序信号，由组合逻辑电路形成微操作控制信号。微程序控制器以存储逻辑取代组合逻辑，根据指令操作码的译码转向控制存储器取出对应的微程序，由微指令提供微操作控制信号。105.2时序系统与控制方式5.2.1时序系统5.2.2时序控制方式115.2.1时序系统计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志是用时序信号来体现的。1）指令周期和机器周期（1）指令周期完成一

5、条指令所有操作所需要的时间，称为指令周期。指令周期通常用若干机器周期(CPU周期)表示。指令周期长短不同。12（2）机器周期为了便于对执行时间各不相同的指令进行控制，一般根据指令的操作性质和控制功能，将各指令分成一些基本操作，每一条指令由若干个不同的基本操作组成，对每一个基本操作规定一个基本时间称为机器周期。不同机器周期完成不同的操作。在时序系统中设置一组周期状态触发器，以标志不同的机器周期。任一时序只允许其中的一个触发器为1，以表明CPU当前所处的机器周期。132）节拍电位和工作脉冲（1）节拍电位一个机器周期内要完成若干个微操作，这些微操作有的可以同时进行，有的则按先后次序

6、串行执行。每个微操作都需要一定的时间，因此需要将一个机器周期分为若干相等的时间段，每一个时间段，用一个电平信号宽度对应，称为节拍电位。节拍电位作为开门/关门控制信号。14（2）工作脉冲用于同步触发器的翻转。如：运算结果打入、周期切换。一个节拍内可以设置一个或几个工作脉冲。工作脉冲一般处于节拍后部（节拍脉冲）。若机器周期由时钟组成，脉冲的前沿将运算结果打入寄存器，后沿实现周期切换。时钟电位作为开门/关门控制信号。15节拍电位和工作脉冲配合关系163）总线周期完成一次总线操作所需的时间称为总线周期。总线周期与机器周期的区别在于总线周期是根据要求出现的。例如：8086基本的总线周期

7、174）多级时序系统（1）三级时序信号间的关系这些时序信号将参与形成各种微操作命令。机器周期节拍工作脉冲18（2）时钟周期的时序系统195.2.2时序控制方式CPU的控制方式包含时序控制方式和指令执行控制方式。形成控制不同操作序列的时序信号的方法，称为时序控制方式，其实质反映了时序信号的定时方式。1）同步控制方式固定时序控制。受事先确定的时序信号所控制。每个时序信号的结束意味一个微操作的完成，随即开始进行后继的微操作。20同步控制方式可选取的三种方案：（1）定长机器周期（2）不定长机器周期。（3）中央控