《计算机组成原理》课程研讨（5）.ppt

计算机组成原理考查目标1.理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。2.理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。3.能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计。第五章中央处理器CPU的功能和基本结构指令执行过程数据通路的功能和基本结构控制器的功能和工作原理指令流水线CPU的功能和基本结构一、CPU的功能指令控制保证机器按程序规定的顺序取出执行操作控制CPU产生每条指令所对应的操作信号，并把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作时间控制对各种操作的实施时间进行定时数据加工对数据进行算术运算和逻辑运算处理CPU的功能和基本结构控制器的功能：控制器的作用是控制程序的执行，它必须具有以下基本功能：（1）取指令当程序已在存储器中时，首先根据程序入口取出第一条指令，为此要发出指令地址及控制信号。然后不断取出第2，3，…条指令（2）分析指令或叫解释指令、指令译码等。是对当前取得的指令进行分析，指出它要求作什么操作，并产生相应的操作控制命令，如果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址CPU的功能和基本结构（3）执行指令根据分析指令时产生的“操作命令”和“操作数地址”形成相应的操作控制信号序列，通过CPU及输入输出设备的执行，实现每条指令的功脂，其中还包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作：取指、分析、执行；再取指、再分析、再执行……，如此循环，直到遇到停机指令或外来的干预为止。CPU的功能和基本结构（4）控制程序和数据的输入与结果输出根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命令来完成I／O功能，这实际上也是通过执行程序来完成的。（5）对异常情况和某些请求的处理当机器出现某些异常情况，诸如算术运算的溢出和数据传送的奇偶错等；或者某些外来请求，诸如磁盘上的成批数据需送存储器或程序员从键盘送入命令等，由这些部件或设备发出：①“中断请求”信号②DMA请求信号CPU的功能和基本结构二、控制器的组成控制器是计算机的指挥中心，其基本功能就是执行指令。控制器由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、指令译码器(ID)、时序系统和微操作信号发生器组成。下图是一CPU的基本模型结构。CPU的功能和基本结构图6.3是控制器基本组成的逻辑框图。5.2指令执行过程指令执行的电路过程(1)一条加法指令的执行过程假设运算器的框图如图6.6所示。5.2指令执行过程5.2指令执行过程5.2指令执行过程假设指令格式如下：rs，rd，rs1为通用寄存器地址；imm(或disp)为立即数(或位移量)。加法指令功能：将寄存器(rs)中的一个数与存储器中的一个数(其地址为(rs1)+disp)相加，结果放在寄存器rd中，rs与rd为同一寄存器。5.2指令执行过程加法指令完成以下操作：①从存储器取指令，送入指令寄存器，并进行操作码译码(分析指令)。程序计数器加1，为下一条指令作好准备。控制器发出的控制信号：PC→AB，W／R#=0，M／IO#=1；DB→IR；PC+1。②计算数据地址，将计算得到的有效地址送地址寄存器AR。控制器发出的控制信号：rsl→GR，(rsl)→ALU，disp→ALU(将rsl的内容与disp送ALU)；“+”(加法命令送ALU)；ALU→AR(有效地址送地址寄存器)。指令执行过程③到存储器取数。控制器发出的控制信号：AR→AB，W／R#=0，M／IO#=1；DB→DR(将地址寄存器内容送地址总线，同时发访存读命令，存储器读出数据送数据总线后，打入数据寄存器)。④进行加法运算，结果送寄存器，并根据运算结果置状态位N，Z，V，C。控制器送出的控制信号：rs→GR，(rs)→ALU，DR→ALU(两个源操作数送ALU)；“+”(ALU进行加法运算)：rd→GR，ALU→rd置N，Z，V，C(结果送寄存器，并置状态位)。指令执行过程以上操作需要四个机器周期，其时间安排如下：其中取指令和取数周期通过总线访问存储器；计算地址和运算送结果周期在CPU内