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2019年秋1多周期CPU设计计算机组成原理

本讲提要单周期CPU特点单周期CPU主要不足多周期CPU设计多周期CPU控制器基本组成多周期CPU设计2

控制器的功能冯.诺依曼结构的计算机“存储程序”计算机，设置内存，存放程序和数据在程序运行之前将程序调入内存，然后执行程序计算机的功能是执行程序程序是依次排列起来的指令序列计算机执行程序的基本过程从程序首地址开始执行第一条指令(分步)执行每一条指令，并形成下一条待执行指令地址自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令3

完整的单周期CPU4

单周期CPU特点优点每条指令占用一个CPU周期逻辑设计简单，时序设计也简单缺点各组成部件的利用率不高各部件大部分时间在保持信号时钟周期需要满足执行时间最长指令的要求Load指令CPI=1?5

单周期CPU性能假定某单周期CPU各主要部件的延迟为：存储器（Memory）：2ns运算器（ALU/Adder）：2ns寄存器组（RegisterFile）：1ns6

单周期CPU的性能指令周期比较长所有指令都必须使用最长的周期7

单周期CPU性能该单周期CPU，执行100条指令:25%的Load指令10%的Store指令45%的算逻指令20%的跳转指令单周期的执行时间100*8=800ns可能的优化25*8+10*7+45*6+20*5=640ns Speedup=800/640=1.258

单周期CPU的其它问题事实上，指令和数据都保存在同一个存储器中许多部件保持数据的时间过长，无法复用例如，Adder功能是否可以利用ALU实现？9

多周期CPU将指令执行过程分解成多个步骤和单周期CPU基本相同每条指令占用它需要的步骤数每个步骤占用一个时钟周期尽量平衡各步骤间的延迟尽量限制每个步骤使用单一的主要部件控制器仅需提供当前步骤所需要的控制信号前提保存好下一步骤要用到的值引入“新”的内部寄存器转到下一步骤执行引入状态标记当前步骤有限自动机10

多周期CPU的控制器控制器的功能就是控制指令的执行过程能够正确并且自动地连续执行指令按程序中设定的指令次序执行正确地分步完成每一条指令规定的功能读取指令→分析指令→执行指令进一步讲，就是向计算机各功能部件提供协调运行每一个步骤所需要的控制信号11

控制器的组成①程序计数器PC存放指令地址，有增量或接收新值功能②指令寄存器IR存放指令内容：操作码与操作数地址③指令执行步骤标记线路指明每条指令的执行步骤和相对次序关系④控制信号产生线路给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号主脉冲源与启停控制线路12

多周期CPU控制器组成13

两种不同类型的控制器根据指令步骤标记线路和控制信号产生线路不同的组成和不同的运行原理，有两种不同类型的控制器：硬连线控制器(组合逻辑控制器)：采用组合逻辑线路、依据指令及其执行步骤直接产生控制信号。微程序控制器：采用存储器电路把控制信号存储起来，依据指令执行的步骤读出要用到的信号组合。14

硬连线控制器15

硬连线控制器组成与实现硬连线控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、节拍发生器Timer和控制信号产生部件4部分组成。PC用于提供待读出指令在主存储器中的地址，IR用于保存从主存储器中读出的指令内容，Timer用于给出并维护指令执行步骤的编码，控制信号产生部件用于依据指令内容（在IR中）和指令执行所处的操作步骤（Timer提供），用组合逻辑线路产生计算机本操作步骤中各个部件所需要的控制信号。划分指令执行步骤，确定各步骤应执行的功能和步骤之间的衔接关系，以及确定各部件完成这些功能所需要的控制信号，是控制器设计的几个关键环节。16

硬连线控制器组成与实现在多周期CPU系统中,要按照指令总的功能要求,把不同的功能序列划分到相应的步骤，再落实到不同的部件，控制器需要按照指令及其执行步骤，为计算机各个部件提供它们协同运行所需要的控制信号。向各部件提供哪些控制信号，决定于各部件的运行要求。为此必须规划汇总各部件在各个执行步骤中要求使用的控制信号。这些信号是用组合逻辑电路产生的，可以表示为：信号i=f(指令内容,执行步骤等)，通常表现为多个由与、或两级逻辑构成的表达式。17

控制信号生成线路18

微程序控制器采用控制存储器存储每条指令的每个执行步骤所需要的全部控制信号用微地址进行访问，读出控制信号并输出采用下地址逻辑实现执行步骤之间的衔接根据指令操作码映射出该指令的首条微指令的地址每条微指令给出其下一步骤的微地址19

微程序控制器的组成20

多周期的CPU控制器设计确定数据通路划分指令执行步骤指令流程图安排每条指令每个步骤的功能,并给出相应的控制信号指令流程表为指令执行步骤设计状态机为每个步骤的控制信号设计控制信号生成逻辑21

多周期CPU的Datapath22

MIPS