第五章计算机组成原理中央处理器new.ppt

练习 练习 练习 练习 练习 练习 练习 控制器的功能 完成协调和指挥整个计算机系统的操作。具体分为下面三个方面： 指令控制功能 计算机的工作过程是连续执行指令的过程，指令在主存中连续存放，一般情况下，指令被顺序执行，只有遇到转移类指令才会改变指令的执行顺序，所以指令在主存储器中的存放顺序是静态的，而指令的执行顺序是动态的，形成计算机中的指令流，控制器应保证指令流的正常运转，完成指令控制的功能。 时序控制功能 机器指令的操作过程是由指令操作流程图严格地规定的，各条机器指令的指令周期中包含的机器周期数各不相同。各个机器周期中包含多少个节拍也不一定相同，所以指令周期，机器周期和节拍信息等时序信号是用来给机器定时的，必须由控制器产生，以完成时序控制功能。 时序控制功能 操作控制功能 在时序信号控制下，各条机器指令在各个机器周期的各个节拍中应产生哪些微操作控制信号，由指令操作流程图作了严格的规定，控制器应能根据指令操作流程图的安排，在各个节拍中产生相应的微操作控制信号，以有效地完成各条指令的操作过程。 控制器的组成 控制器为完成以上三个方面的功能，需要设置如下部件： 程序计数器PC 指令寄存器IR 指令译码器 时序部件——用来产生计算机工作过程中所需要的各种时序信号，通常由系统主时钟、节拍信号发生器和启停逻辑等部件组成。 微操作控制部件——任何指令的执行过程都是一个微操作序列的产生过程，微操作控制器用来产生与各条指令相对应的微操作控制信号。 中断系统——计算机操作过程中，有可能出现一些预想不到的事件。例如，某个部件出了故障，如果不及时处理，有可能会造成以后的一系列错误，为此设置中断系统。 操作控制台——任何计算机系统中实现人机联系的桥梁，从启、停机器到操作过程中的人工干预或对机器进行测试等都必须通过操作控制台来实现。（键盘、主机控制面板） CPU周期与微指令周期的关系 在串行方式的微程序控制器中: 微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时间 下图示出了某小型机中CPU周期与微指令周期的时间关系： 例如，在前600ns时间内运算器进行运算，在600ns时间的末尾运算器已经运算完毕，可用T4上升沿将运算结果打入某个寄存器。与此同时可用T4间隔读取下条微指令，经200ns时间延迟，下条微指令又从只读存储器读出，并用T1上升沿打入到微指令寄存器。如忽略触发器的翻转延迟，那么下条微指令的微命令信号就从T1上升沿起就开始有效，直到下一条微指令读出后打入微指令寄存器为止。因此一条微指令的保持时间恰好是0.8μs，也就是一个CPU周期的时间。 一个CPU周期为0.8μs，它包含四个等间隔的节拍脉冲T1—T4，每个脉冲宽度为200ns。用T4作为读取微指令的时间，用T1+T2+T3时间作为执行微指令的时间。 微指令的执行过程 微指令的执行过程与机器指令的执行过程很类似，任何一条微指令的执行过程也可分成取微指令和执行微指令两个阶段，只是微指令是从控制存储器中取出后置入微指令寄存器（?IR）中，然后才能被执行，微指令周期如图： 第K+1条微指令周期 取微指令K 执行微指令K 第K条微指令周期 由于一条机器指令的执行过程是一个微程序的执行过程，即一条机器指令的指令周期成为多个微指令周期的总和。 微指令的执行方式有两种： 串行执行方式——逐条顺序执行微指令。 并行执行方式——本条指令的执行与取下一条微指令同时进行。 取微指令是访问控制存储器的过程，而执行微指令与控制存储器无关，完全可在执行第K条微指令的同时去取第K+1条微指令。 取微指令K 执行微指令K 取微指令K+2 执行微指令K+2 执行 取微指令K+3 执行微指令K+1 取微指令K+1 RISC CPU 　 RISC CPU是继承CISC的成功技术，并在克服CISC机器缺点的基础上发展起来的。 RISC的三个要素是： (1)一个有限的简单的指令集；(2)CPU配备大量的通用寄存器；(3)强调对指令流水线的优化。 基于三要素的RISC机器的特征是： (1)使用等长指令，目前的典型长度是4个字节。 (2)寻址方式少且简单，一般为2—3种，最多不超过4种，绝不出现存储器间接寻址方式。 (3)只有取数指令、存数指令访问存储器。指令中最多出现RS型指令，绝不出现SS型指令。 (4)指令集中的指令数目一般少于100种，指令格式一般少于4种。 (5)指令功能简单，控制器多采用硬布线方式，以期更快的执行速度。 (6)平均而言，所有指令的执行时间为一个处理时钟周期。 (7)指令格式中用于指派整数寄存器的个数不少于32个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于16个。 (8)强调通用寄存器资源的优化使用。 (9)支持指令流水并强调指令流水的优化使用。 (10)RlSC技术的复杂性于它的