第7章_CPU组织与结构.ppt

本章结构 7.1 CPU的功能和组成 CPU-Central Process Unit，中央处理器，是计算机中最核心的部件。 本节主要讲述CPU的主要功能和基本组成结构。 1、CPU的功能 总的讲，CPU需完成从取指令到执行指令的全过程的控制。具体讲，包括以下几个方面： 指令控制 操作控制 时间控制 数据处理 2、CPU的基本组成 在早期的计算机当中，CPU被分成运算器和控制器两个部分 。 随着超大规模集成电路技术的发展，许多早期放在CPU外部的逻辑功能部件(如：Cache，浮点运算器等)被集成到CPU内部，使得CPU的内部结构越来越复杂。 通常，我们认为目前的CPU由运算器、控制器和Cache三大部分组成。 运算器 由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据寄存器和状态条件寄存器等组成，通常还包括一个寄存器组。相对控制器而言，运算器是执行部件，它接受控制器的命令进行数据加工处理等工作。运算器有两个主要功能： 执行所有的算术运算； 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。 控制器 由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成，它完成协调和指挥整个计算机系统的操作。主要功能有： 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置； 对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作； 指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。 控制器核心部件-操作控制时序产生器 功能：根据指令译码的结果和程序及机器当前的状态，按照一定的时序要求产生指令执行过程中所需的所有操作控制信号。 Cache 为了进一步提高CPU的运行效率，目前的CPU内部通常会内置高速缓冲存储器。内置Cache的容量和结构对CPU的性能影响较大，一般容量越大越好。在许多高性能处理器 内部，一级缓存通常设置为两个，一个指令Cache，一个数据Cache，以减少取指令和读操作数的访问冲突，这种结构也叫哈佛结构。 7.2 指令周期 本节首先介绍几个时间概念，然后通过几条典型指令的流程讲述计算机指令的执行过程。 1、几个时间概念 指令周期-CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。 CPU周期-又称总线周期、机器周期，是指CPU进行一次总线操作所需要的时间。包括CPU访存、访I/O和中断响应等。 时钟周期-又称为T周期，是指CPU工作时钟的一个周期时间。 几个时间之间的关系 一个指令周期由若干个总线周期组成；一个总线周期由若干个T周期组成。 例:设某机主频为8MHz，每个机器周期平均含2个时钟周期，每条指令平均有2.5个机器周期，试求： （1）该机的平均指令执行速度是多少MIPS？ （2）如果机器主频不变，但每个机器周期平均含4个时钟周期，每条指令平均有5个机器周期，那么该机的平均指令执行速度是多少MIPS？ 2、典型指令的指令周期 下面通过几条常用的典型指令的指令周期构成进一步讲述指令周期的概念和指令的执行过程。 典型指令组成的一个简单程序 LDA指令的指令周期 LDA 00H是一条数据传送指令，将0传送给AC内容清。 它需要两个CPU 周期，其中取指令阶段需要一个CPU周期，执行指令阶段需要一个CPU周期。 如图示： 取指令周期 (1) 程序计数器PC的内容0010H被装入地址寄存器AR； (2) 程序计数器内容加1，变成0011H，为取下一条指令做好准备 ； (3) 地址寄存器的内容被放到地址总线上； (4) 所选存储器单元0010H的内容经过数据总线，传送到数据缓冲寄存器DR ； (5) 数据缓冲寄存器的内容传送到指令寄存器IR； (6) 指令寄存器中的操作码被译码或测试； (7) CPU识别出是指令LDA，至此，取指令阶段即告结束。 执行指令周期 (1)经译码后知道LDA 00H指令采用立即寻址方式，操作数跟在操作码之后，已经存放在指令寄存器IR中，操作控制器送出控制信号，在IR与数据缓冲寄存器DR之间建立数据通路，把立即数打入DR； (2)操作控制器再送出控制信号在DR与ALU之间建立数据通路，把立即数送到ALU的输入端； (3) ALU响应传送操作控制信号，将输入ALU的数据送到累加寄存器AC，从而执行了LDA 00H指令。 ADD指令的指令周期 ADD是一条加法指令，将AC的内容与一个存储器操作数相加，结果送AC。 它需要三个CPU 周期：取指令周期、取操作数周期和执行加法周期。 如图示： 取指令周期 同LDA指令 取操作数周期 (1)IR中的操作数地址00E0H送地址寄存器AR； (2)AR中的内容00E0H送地址总线，读存； (3) 00E0H单元的内容0005经数据总线读取到数