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计算机科学与技术专业 计算机组成原理 武汉科技大学 计算机科学与技术学院 第五章 中央处理器 本章内容 5.1 CPU的组成和功能 5.2? 指令周期 5.3? 时序产生器和控制方式 5.4 微程序控制器 5.5 微程序设计技术 5.6 硬布线控制器 5.7 传统的CPU 5.8 流水CPU 5.9 RISC CPU 5.10 多媒体CPU 逻辑网络的输入信号来源有三个: (1)来自指令操码译码器的输出Im; (2)来自执行部件的反馈信息Bj; (3)来自时序产生器的时序信号,包括节拍电位信号M和节拍脉冲信号T。 逻辑网络N的输出信号就是微操作控制信号,它用来对执行部件进行控制。 硬布线控制器的基本原理:C=f(Im,Mi,Tk,Bj) 规纳起来可叙述为: 某一微操作控制信号C是指令译码器输入出Im、时序信号(节拍电位Mi、节拍脉冲Tk)和状态条件信号Bj的逻辑函数。 优点:速度快 缺点:逻辑复杂,不便形成系列机。 2.指令执行流程 在用硬联线实现的操作控制器中,通常,时序产生器除了产生节拍脉冲信号外,还应当产生节拍电位信号。因为在一个指令周期中要顺序执行一系列微操作,需要设置若干节拍电位来定时。例如前面提到的五条指令的指令周期,其指令流程可用下图来表示 。 ?? 图中M1、M2、M3为三个节拍电位信号,用于定时。 由于采用同步工作方式,长指令和短指令对节拍时间的利用都是一样的。这对短指令来讲,在时间的利用上是浪费的,因而也降低了CPU的指令执行速度,影响到机器的速度指标。为了改变这种情况,在设计短指令流程时可以跳过某些节拍。当然在这种情况下,节拍信号发生器的电 路相应就要复杂一些。 节拍电位信号的产生电路与节拍脉冲产生电路十分类似,它可以在节拍脉冲信号时序器的基础上产生,运行中以循环方式工作,并与节拍脉冲保持同步。 3.微操作控制信号的产生 在微程序控制器中,微操作控制信号由微指令产生,并且可以重复使用。 在硬联线控制器中,某一微操作控制信号由布尔代数表达式描述的输出函数产生。 设计微操作控制信号的方法和过程是,根据所有机器指令流程 寻找出产生同一个微操作信号的所有条件,并与适当的节拍电位和节拍脉冲组合,从而写出其布尔代数表达式并进行简化,然后用门电路或可编程器件来实现。 为了防止遗漏,设计时可按信号出现在指令流程图中的先后次序书写,然后进行归纳和简化。要特别注意控制信号是电位有效还是脉冲有效,如果是脉冲有效,必须加入节拍脉冲信号进行相“与”。 [例4]?图5.32中五条指令的微操作控制信号举例,注意T脉冲的顺序。 ??????? LDAR = M1·T2+M2(ADD+STA)·T2 ??????? LDDR = M1·T3+M3(ADD+STA)·T3 ??????? LDIR = M1·T4 ??? RD = M1+M3·ADD ??? WE = M3·STA 其中M1、M2、M3是三个节拍电位信号;T3、T4为时钟周期信号;ADD、STA、JMP是指令OP字段译码器的输出信号。 5.7 传统的CPU 5.7.2 Intel 8088 CPU Intel 8088是一种通用的准16位微处理器,其内部结构为16位,与外部交换的数据为8位。它可以处理16位数据(具有16位运算指令,包括乘除法指令),也可以处理8位数据。它有20条地址线,所以直接寻址能力达到1M字节。采用40条引线封装,单相时钟,电源为5V。 8088CPU的内部结构: CPU从功能上来说分成两大部分: 总线接口单元BIU 负责与存储器和外围设备接口; 执行单元EU 负责指令的执行。 寄存器能处理16位数据,所以最上面4个寄存器是16位数据寄存器,用以暂存16位的操作数。其中AH+AL为累加器,其他三个16位寄存器用以存放操作数。 当处理8位数时,四个16位数据寄存器可变作八个8位寄存器使用。 堆栈指针SP用来指示堆栈操作时堆栈在主存的位置,但是SP必须与堆栈段寄存器SS一起使用 。另外三个16个寄存器BP(基数指针)、SI(源变址)、DI(目的变址)用来增加几种寻址方式,从而能更灵活的寻找操作数。 指令指针IP的功能相当于一般机器的程序计数器PC,但是IP要与代码分段寄存器CS相配合才能形成真正的物理地址。 状态寄存器PSW由九个标志位组成,以反映操作结果的某些状态或机器运行状态。 四个16位的段寄存器,用来存放主存段地址(代码段CS,数据段DS,堆栈段SS,附加段ES)
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