计算机组成原理CPU与控制单元的设计(Part5).ppt

计算机组成原理与汇编语言(2006级) 北航计算机学院 刘旭东? Tel Mail：liuxd@buaa.edu.cn liuxd@act.buaa.edu.cn 指令的执行过程回顾（第一讲） 1.1 CPU的功能与组成 CPU的功能：控制指令执行 取指令：从存储器中读出指令 指令地址部件：指明当前要读取的指令在存储器中的地址 指令寄存部件：保存从存储器中取来的指令 分析指令：分析指令的操作性质以及操作对象的位置（地址） 译码部件：对指令进行译码 执行指令：实现指令应该具有的操作功能 控制信号逻辑部件：根据指令的操作性质和操作对象的地址（译码结果），在时序信号配合下，产生一系列的微操作控制信号，从而控制计算机的运算器、存储器或输入输出接口等部件工作，实现指令所表示的功能。 时序部件：提供计算机基准时序信号 1.1 CPU的功能与组成 CPU的组成 运算单元：算术逻辑运算单元（ALU） 寄存器：通用寄存器组（GPRs），标志寄存器（FR，又称程序状态字PSW），临时寄存器（TR） 控制单元（CU）： 指令地址部件：程序计数器（PC） 指令寄存部件：指令寄存器（IR） 译码部件：指令译码器（ID） 控制部件：微操作控制信号产生部件 时序部件：产生时序信号 内部总线：CPU内部数据通路（Internal Bus） 1.1 CPU的功能与组成 1.1 CPU的功能与组成 CPU内部的寄存器 通用寄存器（General Register）：用户可见（汇编语言可使用） 数据寄存器、基址寄存器、变址寄存器、堆栈指针、标志寄存器等 控制与状态寄存器：用户不可见，为系统控制专用。 MAR（Memory Address Register）：存储器地址寄存器 MBR/MDR（Memory Buffer Register，Memory Data Register）：存储器数据缓冲器 PC（Program Counter）：程序计数器 IR（Instruction Register）：指令寄存器 临时寄存器（Temporary Register）：用户不可见 1.1 CPU的功能与组成 执行单元（EU－Execution Unit） 执行单元的核心：算术逻辑运算单元（ALU），完成算术运算、逻辑运算、移位运算等操作； 寄存器：提供数据缓冲； 控制单元（CU－Control Unit） 指令寄存器IR 指令译码器ID（Instruction Decoder） 时序部件：提供各种时序信号 控制信号生成部件：产生计算机其他部件所需要的所有微操作控制信号，分组合逻辑和微程序两种实现方式。 中断系统 检查中断信号，中断CPU的正常程序执行，处理异常事务。 2.1 模型机结构简述 单总线结构（CPU、存储器） 模型机CPU结构描述 简化的8086／8088结构，16位系统，内部总线连接 通用寄存器部件（AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI） 主存地址寄存器MAR 主存数据寄存器MDR 暂存器C,D,Z 程序计数器PC 指令寄存器IR 运算单元ALU 控制单元 2.2 模型机的指令系统 双操作数指令格式 2.2 模型机的指令系统 双操作数指令格式 2.2 模型机的指令系统 双操作数指令格式 2.2 模型机的指令系统 单操作数指令格式 存储器：存储指令和数据 PC：当前指令地址 IR：存储当前指令 送地址：PC?AB?Mem 保存指令： 读存储器，Mem?DB?IR 修改PC 通用寄存器组： AX、BX、CX、DX、 SP、BP、SI、DI 算术逻辑运算单元ALU 存储器到寄存器：Mem?DB?GPRs 保存ALU结果：ALU?GPRs 寄存器间传送：GPRs?GPRs 保存寄存器内容：GPRs?DB?Mem 寄存器间接寻址：GPRs?AB 寄存器运算：GPRs?ALU 寄存器运算：GPRs?ALU 存储器： 运算 寻址计算 转移地址计算：PC?ALU 输出到寄存器：ALU?GPRs 结果保存到存储器：ALU?DB?Mem 操作数有效地址计算：ALU?AB 转移地址计算：ALU?PC 连接关系复杂 引入内部总线 GPRs、ALU、PC之间的传送通过内部总线 GPRs、ALU、PC、IR与DB、AB之间的传送通过内部总线 IB与GPRs之间：GPRs?IB、IB?GPRs IB与ALU之间：ALU?IB、IB?ALU IB与PC之间： IB?PC、PC?IB IB与IR之间： IB?IR IB与DB之间：数据总线通过IB将数据送CPU内部部件 IB?DB、DB?IB IB与AB之间：AB通过IB接收CPU内部计算出来