计算机组成原理第5章

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1、第五章中央处理器1§5.1CPU的结构与工作原理一、CPU的功能与结构1、CPU的功能*指令控制：程序执行过程主存MM控制器CPU运算器I/O设备中断请求取指阶段执行阶段时间……控制信号的状态指令地址+1、时长及次序*操作控制：*时间控制：*数据加工：*中断处理：22、CPU的基本结构*CPU基本结构：寄存器、运算器，CU、BIU、中断机构，通路*CPU功能与组成部件：指令控制—操作控制时间控制数据加工—中断处理——时序系统、控制信号形成电路；PC、IR、指令译码器ID；ALU及状态REG、REG组；中断机构。中断机构PC

2、IR译码器ID时序系统控制信号形成电路……ALU状态REGMARMDR总线逻辑REG0REG(n-1)…CPU内部数据通路…BIUCU33、CPU的寄存器组织有用户可见寄存器和控制/状态寄存器两大类。*用户可见寄存器：--存放地址及数据条件码REG—数据REG—地址REG—通用REG—4*控制/状态寄存器：--控制CPU的操作或运算PC—存放指令地址，作循环变量使用，通常具有计数功能；←顺序型指令占绝大多数IR—存放当前指令内容；MAR—存放CPU所访问存储单元或I/O设备的地址；MDR—存放CPU欲写出或已读入的信息(数

3、据或指令)；程序状态字REG(PSW)—存放程序执行状态；其他REG—如段REG、系统模式REG等35二、CPU的工作流程*指令周期：CPU取出并执行一条指令的时间。取指周期执行周期取指阶段执行阶段(取指、分析)(执行指令)指令周期*指令周期的特征：不同指令类型及寻址方式的指令周期可能不同。间址周期取指周期执行周期指令周期加法指令:(间接寻址)加法指令:(直接寻址)取指周期执行周期取指周期执行周期指令周期指令周期乘法指令:(直接寻址)6三、指令执行过程1、指令的执行过程*取指令阶段：取指令操作步骤—分析指令结果—PC┬→M

4、AR→访问MEM→MDR→IR；└→+“1”→PC*执行指令阶段：操作步骤—7※指令执行过程的特征：①指令执行过程由若干有序的操作组成；②取指令阶段的操作及步骤基本上是通用的；③执行指令阶段的操作及步骤受指令格式的影响取指令阶段和执行指令阶段的操作必须取得操作类型/操作数长度、寻址方式多字长指令的地址码可放在执行指令阶段取如操作类型、操作数长度、寻址方式、指令字长82、指令执行过程与CPU的基本操作*指令执行过程：由若干有序的基本操作组成*CPU的基本操作类型：由CPU结构及指令执行过程确定REG间传送—存储器读—存储器写

5、—算逻运算—R源1及R源2→ALU(运算)→R结果R源→R目标；MAR→MEM(读)→MDR；MAR及MDR→MEM(写)；例1—指令R1←[(R0)]执行过程的CPU基本操作序列：解：①PC→MAR②存储器读，(PC)＋1→PC③MDR→IR④R0→MAR⑤存储器读⑥MDR→R13993、CPU的基本操作与微操作*术语：微操作—CPU内部的原子操作(不能再细化的操作)；微操作序列—有序排列的微操作串(1)寄存器间数据传送操作*操作步骤：利用CPU内部数据通路直接实现数据传送；(2)存储器读操作*操作步骤：发地址信号、发读

6、信号，等待操作完成、接收数据；*微操作序列：①1→Read；实现MAR→ABus、Read→CBus操作②M(MAR)→MDR；实现等待完成、DBus→MDR操作*微操作序列：R源→R目标310(3)存储器写操作*操作步骤：发地址信号、发写信号，发送数据、等待操作完成；*微操作序列：①1→Write；实现MAR→Bus、Write→CBus操作②MDR→M(MAR)；实现MDR→DBus、等待完成操作11(4)算术逻辑运算操作*操作需求：ALU为组合逻辑部件①运算过程中，入端数据稳定，②运算结束时，出端数据存到稳定部件；*

7、微操作序列：①R源1→ALU；R源可为MDR②R源2→ALU；R源1、R源2的数据通路不冲突时，可并行③OP→ALU；OP种类由ALU功能决定④ALU→R结果；R结果可与R源为同一寄存器*操作步骤：2个源寄存器数据送ALU入端并保持，向ALU发运算命令，运算后数据送结果寄存器；REG组ALU12例2—指令R1←[(R0)]执行过程的微操作序列：解：①PC→MAR②1→Read，(PC)＋1→PC③M(MAR)→MDR④MDR→IR⑤R0→MAR⑥1→Read⑦M(MAR)→MDR⑧MDR→R1例3—指令R2←(R0)+(R

8、1)执行过程的微操作序列：解：①PC→MAR②1→Read，(PC)＋1→PC③M(MAR)→MDR④MDR→IR⑤R0→ALU⑥R1→ALU⑦ADD→ALU⑧ALU→R2161513四、数据通路组织*数据通路：是CPU内部部件间传递数据的物理通道，有总线通路、专用通路两种；*数据通路对指令执行过程的影