15单元8_1CPU的功能与结构概述.ppt

控制器知识要点（第八、九、十章） 掌握CPU的硬件组成与功能。重点掌握CPU各个组成部分的功能，理解控制器控制各个部件的过程及其实现原理。 掌握指令周期、机器周期、节拍、工作脉冲的概念以及各种指令的指令周期的划分。 掌握时序信号的作用、体制以及时序信号产生器的工作原理。 了解CPU的控制方式。 重点掌握微程序设计技术的基本概念和微程序控制器的基本思想。 重点掌握微指令的结构，微指令周期与机器周期的关系，微指令与机器指令的关系。 掌握微指令的编码译码控制方法和微地址的产生及微程序流的控制方法。 重点掌握微程序控制器的组成和工作原理。 理解指令周期的概念 了解指令流水线的工作原理* （会计算：吞吐率、加速比和效率） 掌握CPU的基本组成和功能 教学单元十五：CPU 的结构和功能 教学目标： *难点：流水线的工作原理 8.1 CPU 的结构 一、 CPU 的功能 取指令 分析指令 执行指令，发出各种操作命令 控制程序输入及结果的输出 总线管理 处理异常情况和特殊请求 1. 控制器的功能 2. 运算器的功能 实现算术运算和逻辑运算 指令控制 操作控制 时间控制 数据加工 处理中断 二、CPU 结构框图 PC IR 指令控制 操作控制 时间控制 数据加工 处理中断 ALU 寄存器 中断系统 1. CPU 与系统总线 CU 时序电路 寄存器 ALU 中断 系统 CPU 控制总线 数据总线 地址总线 CU 2. CPU 的内部结构 算术和 布尔逻辑 取反 移位 状态标志 内部 数据总线 寄存器 CU 中断 系统 ALU 控制信号 … C P U 1. 用户可见寄存器 (1) 通用寄存器 三、 CPU 的寄存器 存放操作数 可作 某种寻址方式所需的 专用寄存器 (2) 数据寄存器 存放操作数（满足各种数据类型） 两个寄存器拼接存放双倍字长数据 (3) 地址寄存器 存放地址，其位数应满足最大的地址范围 用于特殊的寻址方式 段基值 栈指针 (4) 条件码寄存器 存放条件码，可作程序分支的依据 如 正、负、零、溢出、进位等 2. 控制和状态寄存器 (1) 控制寄存器 PC 控制 CPU 操作 (2) 状态寄存器 状态寄存器 其中 MAR、MDR、IR 用户不可见 存放条件码 PSW 寄存器 存放程序状态字，中断标志 PC 用户可见 MAR M MDR IR 举例 P340 8086 8.2 指 令 周 期 一、 指令周期的基本概念 1 . 指令周期 取出并执行一条指令所需的全部时间 完成一条指令 执行 取指、分析 取指阶段 取指周期 执行阶段 执行周期 （取指、分析） （执行指令） 指令周期 取指周期 执行周期 2. 每条指令的指令周期不同 取指周期 指令周期 取指周期 执行周期 指令周期 NOP ADD mem MUL mem 取指周期 执行周期 指令周期 … 3. 具有间接寻址的指令周期 4. 带有中断周期的指令周期 取指周期 间址周期 指令周期 执行周期 取指周期 间址周期 指令周期 执行周期 中断周期 5. 指令周期流程 取指周期 执行周期 有间址吗？ 有中断吗？ 间址周期 中断周期 是 是 否 否 6. CPU 工作周期的标志 CPU 访存有四种性质 取 指令 取 地址 取 操作数 存 程序断点 取指周期 间址周期 执行周期 中断周期 FE D IND D INT D CLK 1 FE 1 IND 1 EX 1 INT EX D CPU 的 4个工作周期 1. 取指周期数据流 二、 指令周期的数据流 MDR CU MAR PC IR 存储器 CPU 地址总线 数据总线 控制总线 IR +1 2. 间址周期数据流 MDR CU MAR CPU 地址总线 数据总线 控制总线 PC IR 存储器 MDR 3. 执行周期数据流 4 . 中断周期数据流 不同指令的执行周期数据流不同 MDR CU MAR CPU 地址总线 数据总线 控制总线 PC 存储器 SP Int list 8.3 指 令 流 水 一、如何提高机器速度 1. 提高访存速度 2. 提高 I/O 和主机之间的传送速度 提高整机处理能力 高速芯片 Cache 多体并行 I/O 处理机 DMA 多总线 通道 高速器件 改进系统结构 ，开发系统的并行性 中断 3. 提高运算器速度 高速芯片 改进算法 快速进位链 单独装配一台汽车需要2天时间，而流水线20分钟开出一台车，为什么？ 二、系统的并行