计算机组成原理第3章1CPU子系统概述与ALU.ppt

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1、第三章CPU子系统主要知识点：１．ＣＰＵ的组成、、ＣＰＵ的时序控制方式、控制器分类２．运算器的组织、基本运算方法(主要是定点数的加、减、乘、除运算)及其硬件电路实现方法3．模型计算机的数据通路、指令的执行流程和操作时间表、组合逻辑控制器的设计原理。4．微程序控制器的基本概念和原理，模型计算机的微程序设计方法，重点：定点数的加、减、乘、除运算、ＣＰＵ数据通路的结构、指令的执行流程、操作时间表的设计、微程序控制器的原理及微程序设计方法。难点：定点数的乘、除运算，指令的执行流程、操作时间表的设计，微程序控制器的原理

2、及设计方法。3.1概述3.1.1CPU的组成按数据流向，可以分为三级：（1）输入级：多路选择器或锁存器组成。（2）ALU（3）输出级1、运算部件运算部件的基本结构如下图所示。运算部件的设置，按功能，可以分为四档：（1）（普通微处理器）只设一个ALU（2）（高档微处理器）设置一个ALU，并配合时序控制器（3）（超级小型计算机）设置一个ALU，且将定点乘除部件和浮点部件作为基本配置（4）（大、巨型机）备有多个运算部件，实现流水处理。2、寄存器设置（1）通用寄存器组特点；是用户可以“编程访问”，对用户是不透明的，（

3、2）暂存器特点：用户不可以“编程访问”，对用户是透明的，（3）指令寄存器IR存放正要执行的指令（4）程序计数器PC存放将要执行的下条指令地址（5）程序状态字寄存器PSW（6）存储器地址寄存器MAR（7）数据缓冲寄存器MBR（或表示为MDR）3、时序系统每一条机器指令的执行都需要分若干步骤的操作完成，每一个操作又需要严格的定时控制。计算机中通常采用“周期、节拍、脉冲”这三级时序信号，见下图。产生周期、节拍、脉冲等时序信号的部件。叫“时序系统”，它有三部分组成：主振荡器（脉冲源）、计数分频逻辑、启停控制逻辑。4、

4、微命令产生部件（见下图）微操作命令C：C=f(Im,Ti,Bj)5、CPU内部数据通路结构两种基本的典型数据通路结构：(1)单组内总线、分立寄存器结构。(2)单组内总线、集中寄存器结构。典型CPU结构举例3.1.2时序控制方式1、同步控制方式2、异步控制方式异步应答流程图3、同步控制在实际应用中的变化（1）不同指令安排不同的时钟周期数同步方式下的总线周期插入延长周期的总线周期（2）总线周期中允许插入延长周期（3）同步方式中引入异步应答3.1.3控制器分类1、组合逻辑控制器2、微程序控制器3.1.4CPU与外部

5、的信息交换1、主机与外设的连接方式（1）辐射型（星型）特点：每个外设与主机之间都有一组单独的总线，现在的星型连接是通过接口卡实现的。缺点是不易扩展（3）通道型（2）总线型特点：结构简单、易于扩展，但信息吞吐量受限制，速度不高。是适宜、用于较小的系统。特点：适用于规模大、设备数量和类型多的系统，速度快，信息吞吐量大。2、信息传送的控制方式（1）直接程序传送方式CPU的控制流程如右图。特点：（1）CPU主动查询，控制整个传送过程，（2）CPU与外设是串行工作的。外设状态的描述：通常，设备接口中设有两个状态触发器：

6、“忙”触发器B、完成触发器Ｄ。　Ｂ＝１表示设备忙，Ｄ＝１表示设备已完成（也叫“准备好”，用Ｒ＝１表示）外围设备有三种状态：Ｄ＝０、Ｂ＝０时称“空闲”；Ｄ＝０、Ｂ＝１称“忙”，Ｄ＝１、Ｂ＝０时称“完成”（或叫“准备好”）见下面的状态转换图：（２）程序中断方式（1）什么叫程序中断？程序中断是一种工作方式，CPU暂停现行程序的执行，转去执行中断处理程序，以处理某个随机事件，处理完毕后自动回到原来程序处执行，这一过程叫“程序中断”。程序中断过程与子程序调用过程的不同之处主要在于：处理事件的随机性。（2）程序中断方式控

7、制主机与外设间信息传送的特点：CPU启动外设后，不再主动查询外设，而是由外设主动向ＣＰＵ提请求；ＣＰＵ响应后再控制传送。所以ＣＰＵ与外部设备之间的工作时间关系是并行的。（３）ＤＭＡ方式特点：ＤＭＡ方式是直接依靠硬件控制在外设与存储器之间进行数据的传送的一种工作方式，在传期间不需要ＣＰＵ的介入。所以，ＣＰＵ与外设是并行工作的。ＤＭＡ方式有三种模式：（1）暂停CPU访问内存法（2）周期挪用法（也叫周期窃取法）（3）DMA与CPU交替访问内存法。三种方式的时间关系比较见下面的图：多级时序示意图3.2算术逻辑运算部件

8、3.2.1加法单元3.2.2并行加法器与进位链结构1、串行进位加法器行波进位加法器逻辑图2、并行进位链3、组内并行、组间串行进位加法器4、组内并行、组间并行进位加法器3.2.3ALU单元与多位ALU部件3.2.4运算器组织