计算机组成与结构第6章.ppt
（第6章）,计算机组成与结构,任课教师：郝尚富河北北方学院信息科学与工程学院,第6章 中央处理部件(CPU),6.1 计算机的硬件系统6.2 控制器的组成6.3 微程序控制计算机的基本工作原理6.4 微程序设计技术6.5 硬布线控制的计算机6.6 控制器的控制方式6.7 流水线工作原理6.8 CPU举例6.9 计算机的 加电及控制过程,本节重难点,1.控制器的作用.组成.指令的执行过程.2.微程序控制器的工作原理:组成.产生控制信号的方法.3.微程序控制器的一些基本概念,与机器指令级的比较.,第6章 中央处理部件(CPU),计算机组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件。微处理器将运算器与控制器集成在一个芯片上，通常称之为中央处理部件(CPU)。控制器的作用是协调并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。,固定程序:先对计算机各部件进行测试，从外部设备输入操作系统或其他程序,然后进入操作系统环境，等候操作员从键盘送入命令，或用鼠标器对显示屏上的图标进行选择。,计算机的工作过程：加电产生reset信号执行程序停机停电。,机器加电时：（1）可以利用reset信号将某值(例如全“0”)置于程序计数器PC中，此即为开机后执行的第一条指令的地址，也就是固定程序入口地址；（2）也可以直接在指令寄存器中置入一条无条件转移指令(转移到固定程序入口)，然后开始执行程序。,程序执行过程：计算机从程序入口地址开始执行该程序的指令序列，是不断地取指令、分析指令和执行指令这样一个周而复始的过程。实现原理：当前正在执行的指令地址是放在控制器的程序计数器(PC)中的。,本章主要论述CPU的组成原理，通过本章的学习，希望同学掌握在计算机运行过程中各个硬件部件的作用；了解CPU中各个部件的操作过程及其实现方法的原理。本章将重点讲述程序是如何执行的；计算机怎样实现各条指令的功能；又如何保证逐条指令的连续执行过程。,6.1 计算机的硬件系统,1Intel 80386微机系统 图6.1是由Intel 80386微处理器等器件组成的微机系统，Intel 80386是32位微处理器。,Intel 80386 微机系统框图,是系统中主要的处理、控制部件,机器加电时产生reset信号，计算机各个部件处于初始状态。执行的第1条指令的地址为0FFFFFFF0H，为一条转移指令，转到引导程序入口。,Clk是clk2的二分频时钟信号,80386通过总线与存储器和I/O设备交换信息。对总线的使用需要总线控制逻辑来管理。,快速设备通过DMA方式与主存交换信息。,慢速设备通过中断方式与主存交换信息。,当CPU与主存交换信息时，由于速度不匹配，CPU需要等待，ready信号是由存储器发出的，表明CPU需要的读写命令已完成。,80287/387协处理器与80386并行工作，扩充了80386的指令系统，主要完成浮点运算和高精度整数运算，80386自动将取得的协处理器指令传给80387。,2.Intel 80386结构及外部连线,80386包括：指令部件：完成取指及指令译码功能；执行部件：包括ALU、乘法部件、寄存器等；存储管理部件：用来确定存储器地址。80386微处理器芯片通过引出端与计算机的其它部件连接。各引出端的功能如下：,ADS：地址状态信号，表示地址线、总线周期定义信号已有效，开始总线周期进行读写。,NA：本次读/写操作虽未完成，允许送下一周期的地址和读写信息，使两次操作重叠。,ready：当存储器或I/O设备完成操作后发出的信号。386接到此信号后，结束本周期。,BS16：表示被访问的存储器或I/O设备的数据传送宽度为16位。,PEREQ：协处理器请求386在存储器与协处理器之间传送一个数据。,BUSY：协处理器忙，不能接收另一个指令。,ERROR:协处理器出现了一个错误,主设备：占用总线的设备。从设备：与主设备通信的设备。I/O设备作主设备时，发出hold信号申请。当CPU同意总线请求，可以释放总线，发hlda。其余引出端均呈高阻状态。,INTR为中断请求信号,NMI不可屏蔽中断请求信号,RESET为总清或复位信号,在80386与存储器或IO设备之间传送(读写)一个数据的时间称为总线周期。,WR#区分是写周期(当WR#为1时)还是读周期(当WR#为0时),DC#表示是数据周期还是控制(取指)周期,MIO#表示是访问存储器还是IO设备,LOCK#为总线锁定信号，当它为低电位时，不允许芯片外部的信号打断当前总线周期的操作，即CPU不允许让出总线控制权。,一位ALU结构图,74181四位ALU结构,四位运算器Am2901内部组成,十六位运算器结构,6.2 控制器的组成,6.2.1 控制器的功能,计算机对信息进行处理(或计算)是通过程序的执行而实现的，程序是完成某个确定算法的指令序列，要预先存放在存储器中。控制器的作用是控制程序的执行，它必须具有以下基本功能：1取指令当程序已在存储器中时，首先根据程序入口取出第一条指令，为此要发出指令地址及控制信号。然后不断取出第2，3，条指令。,2分析指令 或叫解释指令、指令译码等。是对当前取得的指令进行分析，指出它要求作什么操作，并产生相应的操作控制命令，如果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址。3执行指令 根据分析指令时产生的“操作命令”和“操作数地址”形成相应的操作控制信号序列，通过CPU及输入输出设备的执行，实现每条指令的功脂，其中还包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作：取指、分析、执行；再取指、再分析、再执行，如此循环，直到遇到停机指令或外来的干预为止。,4控制程序和数据的输入与结果输出 根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命令来完成IO功能，这实际上也是通过执行程序来完成的。5对异常情况和某些请求的处理 部件或设备发出：(1)“中断请求”信号。待CPU执行完当前指令后，响应该请求，中止当前执行的程序，转去执行中断程序。当处理完毕后，再返回原程序继续运行下去。(2)DMA请求信号。等CPU完成当前机器周期操作后，暂停工作，让出总线给IO设备，在完成IO设备与存储器之间的传送数据操作后，CPU从暂时中止的机器周期开始继续执行指令。,6.2.2 控制器的组成,1程序计数器(PC)2指令寄存器（IR）3指令译码器或操作码译码器4脉冲源及启停线路5时序控制信号形成部件,即指令地址寄存器。存放当前正在执行的指令地址或下一条指令地址。指令地址形成:(PC)+1-PC。或:转移指令修改其内容,用以存放当前正在执行的指令,对指令寄存器中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号。,脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的 基准信号。,根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号,返回指令执行,返回微程序控制器,6.2.3 指令执行过程,1.组成控制器的基本电路 计算机中采用的电路，基本上分为两种类型：,一类是具有记忆功能的触发器以及由它组成的寄存器、计数器和存储单元等。,另一类是没有记忆功能的门电路及由它组成的加法器、算术逻辑运算单元(ALU)和各种逻辑电路等。,2指令执行过程举例,数据通路：控制器组成:图6.3 运算器组成:图66所示 中央处理器组成：图6.8(1)一条加法指令的执行过程:(时序图)指令格式:,rs，rd，rs1为通用寄存器地址；imm(或disp)为立即数(或位移量)。加法指令功能：(rs)+(rs1)+disp-rs,取指令,计算地址,取数,运算送结果,划分机器周期的原则:总线不冲突.,加法指令,返回,返回指令执行,取指令:PCAB，ADS=1，WR=0，MIO=1；DBIR；PC+1,计算地址rs1GR，(rs1)ALU，dispALU；“+”；ALUAR,返回指令执行,取数:AR AB，ADS=1，WR=0，MIO=1；DB DR,返回指令执行,返回指令执行,运算送结果:rs GR，(rs)ALU，DR ALU；“+”：rd GR，ALU rd 置N，Z，V，C,返回,取指令:PCAB，ADS=1，WR=0，MIO=1；DBIR；PC+1,计算地址rs1GR，(rs1)ALU，dispALU；“+”；ALUAR,取数:AR AB，ADS=1，WR=0，MIO=1；DB DR,运算送结果:rs GR，(rs)ALU，DR ALU；“+”：rd GR，ALU rd 置N，Z，V，C,(2)条件转移指令的执行过程,指令功能：根据N，Z，V，C的状态，决定是否转换。如转移条件成立，则转移到本条指令所指定的地址，否则顺序执行下一条指令。,本条指令完成以下操作：从存储器取指令，送入指令寄存器，并进行操作码译码。程序计数器加1，如不转移，即为下一条要执行的指令地址。本操作对所有指令都是相同的。,如转移条件成立，根据指令规定的寻址方式计算有效地址，转移指令经常采用相对寻址方式，此时转移地址；PC+disp。此处PC是指本条指令的地址，而在上一机器周期已执行PC+1操作，因此计算时应取原PC值，或对运算进行适当修正。最后将转移地址送PC。控制信号:PC ALU，dispALU；“+”；ALUpc,其他指令的控制信号也按同样方法分析，根据每条指令的功能确定所需的机器周期数，并得出每个机器周期所需要的控制信号，最后将所有的控制信号进行综合简化。,控制器的功能就是按每条指令的要求产生所需的控制信号。因此在设计控制器时要求系统设计师提供一个完整的无二义性的指令系统说明书。,产生控制信号一般有微程序控制和硬布线控制两种方法。,CPU的基本模型,程序运行举例,020 CLA；累加器清0021 ADD 30；（AC）+（30）AC022 STA 40；（AC）(40)023 NOP；空操作024 JMP 21；21 PC 030 000 006;数据 040 存和数;数据,CLA指令的指令周期,取出CLA指令,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,000 020,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 020,CLA,CLA,000 021,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 020,CLA,CLA,000 021,000 000,执行CLA指令,ADD指令的指令周期,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 021,ADD,ADD 30,000 021,000 022,000 030,000 006,0+6=6,000 006,取出并执行ADD指令,STA指令的指令周期,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 022,STA,STA 40,000 022,000 023,000 040,000 006,000 006,000 006,取出并执行STA指令,NOP指令和JMP指令的指令周期,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 024,JMP 21,JMP 21,000 024,000 021,000 006,000 006,000 025,000 021,取出并执行JMP指令,6.3 微程序控制计算机的基本工作原理,6.3.1 微程序控制的基本概念,在计算机中，一条指令的功能是通过按一定次序执行一系列基本操作完成的，这些基本操作称为微操作(微命令)。例如，前面讲到的加法指令，分成四步(取指令、计算地址、取数、加法运算)完成，每一步实现若干个微操作。,微命令和微操作是一一对应的。微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。微命令有兼容性和互斥性之分，兼容性微命令是指那些可以同时产生，共同完成某一些微操作的微命令；而互斥性微命令是指在机器中不允许同时出现的微命令。兼容和互斥都是相对的，一个微命令可以和一些微命令兼容，和另一些微命令互斥。对于单独一个微命令，谈论其兼容和互斥都是没有意义的。,微命令、微操作,一条微指令通常至少包含两大部分信息：操作控制字段，又称微操作码字段，用以产生某一步操作所需的各微操作控制信号。顺序控制字段，又称微地址码字段，用以控制产生下一条要执行的微指令地址。微指令有垂直型和水平型之分，垂直型微指令接近于机器指令的格式，每条微指令只能完成一个基本操作。水平型微指令则具有良好的并行性，每条微指令可以完成较多的基本操作。,微指令、微地址,一系列微指令的有序集合就是微程序。一段微程序对应一条机器指令。,微程序,微程序和程序是两个不同的概念。微程序是由微指令组成的，它用于描述机器指令，实际上是机器指令的实时解释器，它是由计算机的设计者事先编制好并存放在控制存储器中的。对于程序员来说，计算机系统中微程序一级的结构和功能是透明的。而程序则最终由机器指令组成，它是由软件设计人员事先编制好并存放在主存或辅存中的。所以说，微程序控制的计算机涉及到两个层次：一个是机器语言或汇编语言程序员所看到的传统机器层，包括：机器指令、工作程序、主存储器；另一个是机器设计者看到的微程序层，包括：微指令、微程序和控制存储器。,微指令：在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令，它含控制命令(信号)与下一条执行的微指令地址。将一条指令分成若干条微指令，按次序执行这些微指令，就可以实现指令的功能。,微程序：计算机的程序由指令序列构成，而计算机每条指令的功能均由微指令序列解释完成，这些微指令序列的集合就叫做微程序。,控制存储器：存放微程序的存储器。控制存储器可以用只读存储器实现。控制存储器的字长比机器字长要长得多。,联系:执行一条机器指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。,注意以下概念的区别:主存与控制存储器;机器指令与微指令;工作程序与微程序;,6.3.2 实现微程序控制的基本原理,1控制信号 模型机：图68。控制信号：见表61。,返回控制信号,返回指令执行,返回控制信号,以执行一条加法指令为例，它由四条微指令解释执行，一条微指令中的所有控制信号是同时发出的。每条微指令所需的控制信号如下：,(1)取指微指令 指令地址送地址总线：PCAB(1)发访存控制命令，ADS(21)=1，MIO=1(22)，WR=0(23)。从存储器取指令送数据总线。指令送指令寄存器：DBIR(5)程序计数器+1：PC十1(3),(2)计算地址微指令 取两个源操作数(计算地址用)：rslGR(8)，(rsl)ALU(10)，dispALU(4)。加法运算：“+”(13)。有效地址送地址寄存器：ALUAR(19)。,表6.1,(3)取数微指令 数据地址送地址总线：ARAB(20)。发访存控制命令：ADS(21)=1，MIO(22)，WR(23)。由存储器将数据送数据总线DB。数据送数据寄存器：DBDR(6),表6.1,(4)加法运算和送结果微指令 两源操作数送ALU：rsGR(9)，(rs)ALU(11)；DRALU(12)。加法运算：“+”(13)送结果；ALUGR(17),微指令如何产生控制信号：,微指令最简单的组成形式：,是将每个控制信号用一个控制位来表示，当该位为“1”时，定义为有控制信号，当该位为“0”时，没有控制信号。,控制存储器容量为4K字，则每条微指令还需要12位来表示下址。控制存储器的容量取决于实现指令系统所需的微程序长度。,图69为加法指令的四条微指令编码，每一小格表示一位(二进制)，空格表示0，第24位到第35位为下址。,PCAB,PC+1,dispALU,ADS,M/IO#=1,W/R#=0,当前正在执行的微指令从控制存储器取出后放在微指令寄存器中，该寄存器的各个控制位的输出直接连到各个控制门上。例如，上述第四条微指令，由于第9，11，12，13，17位为1，因而产生将两个数送ALU进行加法运算和将结果送通用寄存器的控制信号并根据运算结果置状态位NZVC。,微程序也可以用流程图来表示：,2微程序控制器,微程序控制器如图6.11所示。图中的控制存储器与微指令寄存器替代了图6.3和图6.8中的时序控制信号形成部件。,微程序控制器的基本工作原理如下：,当指令取入IR中以后，根据操作码进行译码，得到相应指令的第一条微指令的地址。,指令译码部件可用只读存储器组成，将操作码作为只读存储器的输入地址，该单元的内容即为相应的微指令在控制存储器中的地址。,根据控制存储器中的地址从控制存储器取出微指令，并将它存放在微指令寄存器中。,控制字段各位的输出通过连接线直接与受控制的门相连，于是就提供了在本节所提出的控制信号。,3时序信号及工作脉冲的形成,在图68中，没有画出使一些寄存器(例如指令寄存器、程序计数器等)接收数据或计数的工作脉冲(打入脉冲)，这些脉冲是如何形成的呢?另外在波形图中的CLK，T1,T2等信号又是如何产生的?,CP=T2 CLK CLK2 CP=T1 CLK CLK2,在一个机器周期内设置一个或多个工作脉冲?机器周期时间多长?这是由设计者根据逻辑设计和电路性能而决定的，将随机器而异。下面讨论一下机器中一些寄存器的打入脉冲是如何形成的。,4电路配合中的常见问题,(1)电路延迟引起的波形畸变,(2)机器周期的确定 一条微指令要完成若干个微操作，不同的微指令要完成的微操作是不同的，所有的微操作都应在一个机器周期内完成，也就是说机器周期时间应大于或等于执行时间最长的微操作时间。一般来说人们首先注意的是访问存储器时间，因为存储器的速度比逻辑电路慢，然后考虑一次算术运算所需的时间。机器周期对机器速度影响很大，是计算机的主要指标之一。,不封锁clk2的条件:T2 readyT2+readyTl+readyTl+ready,(3)时钟脉冲CLK和工作脉冲CP的标准性,当满足cond条件时，才产生CPB和CP-C信号。,CP脉冲不受控制，总是作用在触发器上，但当条件不成立时，使触发器处于保持状态,而当条件成立时，接受新状态如,打入脉冲的同时性:在控制打入脉冲的机器中，总是尽量将CP信号送到控制门的最后一级。,5微程序控制计算机的工作过程简单的总结(参阅图68),(1)机器加电后，首先由reset信号在PC内置入开机后执行的第一条指令的地址，同时在微指令寄存器内置入一条“取指”微指令，并将其他一些有关的状态位或寄存器置于初始状态。当电压达到稳定值后，自动启动机器工作，产生节拍电位T1，T2和CP。(2)机器开始执行程序，不断地取出指令、分析指令、执行指令。程序可以存放在固定存储器中，也可以利用一小段引导程序(在固存中)将要执行的程序和数据从外部设备调入主存。,(3)实现各条指令的微程序是存放在微程序控制器中的。当前正在执行的微指令从微程序控制器中取出后放在微指令寄存器中，由微指令的控制字段中的各位直接控制信息和数据的传送，并进行相应的处理。当遇到停机指令或外来停机命令时，应该待当前这条指令执行完再停机或至少在本机器周期结束时再停机。,例题：已知某运算器的基本结构如图6.4所示，它具有+(加)、-(减)、M(传送)种操作。（1）写出图6.4中112表示的运算器操作的微命令。（2）指出相斥性微操作。（3）设计适合此运算器的微指令格式。,本节重难点,1.控制器的作用.组成.指令的执行过程.2.微程序控制器的工作原理:组成.产生控制信号的方法.3.微程序控制器的一些基本概念,与机器指令级的比较.,
