第五章 计算机组成原理中央处理器.ppt

第五章 中央处理器 本章要求： 1. CPU的功能和组成； 2.指令周期概念及时序产生器的组成； 3. 微程序控制器、硬布线控制器； 4. 传统CPU结构； 5. 流水CPU、RISC CPU。 CPU的基本组成 　　　 CPU中的主要寄存器 操作控制器与时序产生器 【例】 典型指令的指令周期分析 非访内指令的指令周期（CLA指令） 取数指令的指令周期（ADD指令） 存数指令的指令周期（STA指令） 空操作(NOP)指令和转移指令(JMP)的指令周期 MOV指令的指令周期(MOV R1,R0) LAD指令的指令周期（LAD R1,6） 转移指令(JMP)的指令周期 八条典型指令组成的一个简单程序 MOV指令的指令周期 用方框图语言表示指令周期 用方框图语言表示指令周期 双总线结构机器的数据通路 课后作业 P272 习题 3, 4, 5, 6 控制器的控制方式 同步控制方式(集中控制方式):在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变。根据不同情况，同步控制方式可选取如下方案： (1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。 (2)采用不定长机器周期。 (3)中央控制与局部控制结合。 优点:电路简单；缺点:运行速度慢 异步控制方式(分散控制方式):每条指令、每个微操作需要多少时间就占用多少时间，不采用统一的周期和节拍，时间上的衔接通过应答通讯方式(握手方式)实现.特点:无时间浪费,但时序控制比较复杂. 联合控制方式 为同步控制和异步控制相结合的方式。 情况（1） 大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些时间难以确定的操作则以执行部件的“回答”信号作为本次操作的结束； 情况（2） 机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器周期数不固定。 控制器的控制方式 人工控制方式 人工控制方式是为了调试计算机硬件和软件开发的需要，在机器面板或内部设置一些开关或按键，来达到人工控制的目的。最常见的有reset键（复位键）、连续执行或单条指令执行转换开关、符合停机开关等。 (1)reset键 按下reset键，使计算机处于初始状态。当机器出现死锁状态或无法继续运行时，可按此键。若在机器正常运行时按此键，将会破坏机器内某些状态而引起错误，因此要慎用。有些微机没有设置此键，当机器死锁时，往往采用先停电再加电的方法重新启动计算机。 (2)连续执行或单条指令执行转换开关 由于调试计算机硬件或程序的需要，有时需要观察每执行完一条指令后机器的状态，有时又需要观察连续运行程序的结果，设置连续或单条指令执行转换开关，能为用户提供两种不同的选择。 (3)符合停机开关 有些计算机还配有符合停机开关，这组开关指示存储器的位置，当程序运行到与开关指示的地址相符时，机器便停止运行，称为符合停机。 微命令和微操作 微指令和微程序 微程序控制器原理框图 5.5 微程序设计技术 微命令编码 微地址的形成方法 微指令格式 微指令格式 垂直型微指令举例 垂直型微指令举例 水平型微指令与垂直型微指令的比较 动态微程序设计 5.5.4 微程序控制器的设计方法 课后作业 习题 10，11, 12 硬联线控制器的结构图 时空图的几种表示方法（一） 时空图的几种表示方法（二） 流水线分类 流水线中的主要问题 流水线性能分析 流水线性能分析 流水线性能分析 流水线性能分析 课后作业 习题 22 课堂练习 【例】：根据教材图5.32和图5.33，分别写出操作控制信号LDRi、LDPC、Rs_B的逻辑表达式。每个操作控制信号的含义及有效电平的定义如下： LDRi－将数据总线DBUS上的数据打入通用寄存器，上边沿有效 LDPC－与LOAD控制信号组合，实现将数据总线DBUS上的数据打入程序计数器PC或PC加1，具体功能见教材表5.3，上边沿有效 Rs_B－将源寄存器Rs的内容输出到数据总线DBUS，低电平有效 硬连线控制器的设计方法 硬连线控制器的设计过程共分为5步。 (1)根据CPU结构图、控制方式和控制时序、机器指令的指令格式和功能，设计所有指令的指令周期流程图； (2)确定每个方框（菱形框在它下面的那一个方框中考虑，指令译码