计算机组成原理第5章

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※指令执行过程的特征： 指令执行过程的特征： ①指令执行过程由若干有序的操作组成； 指令执行过程由若干有序的操作组成； 有序 组成
取指令阶段和执行指令阶段的操作 取指令阶段和执行指令阶段的操作
②取指令阶段的操作及步骤基本上是通用的； 取指令阶段的操作及步骤基本上是通用的； 操作及步骤基本上
必须取得操作类型/操作数长度、 必须取得操作类型/操作数长度、寻址方式 操作类型 多字长指令的地址码可放在执行指令阶段取 多字长指令的地址码可放在执行指令阶段取
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二、CPU的工作流程 CPU的工作流程
*指令周期：CPU取出并执行一条指令的时间。 指令周期：CPU取出并执行一条指令的时间。 取出并执行一条指令的时间
取指阶段 取指、分析) (取指、分析) 取指周期 执行阶段 (执行指令 执行指令) (执行指令) 执行周期
指令周期
*指令周期的特征： 指令周期的特征： 不同指令类型 寻址方式的指令周期可能不同 指令类型及 的指令周期可能不同。 不同指令类型及寻址方式的指令周期可能不同。
CBus操作 ；实现MAR→Bus、Write→CBus操作 实现MAR→Bus Write→CBus MAR→Bus、 实现MDR→DBus、 MDR→DBus ；实现MDR→DBus、等待完成操作
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(4)算术逻辑运算操作 (4)算术逻辑运算操作 操作需求：ALU为组合逻辑部件 *操作需求：ALU为组合逻辑部件 运算过程中，入端数据稳定 数据稳定， ①运算过程中，入端数据稳定， 运算结束时，出端数据存到稳定部件 数据存到稳定部件； ②运算结束时，出端数据存到稳定部件；
REG0 REG(nREG(n-1) ALU 状 IR 内 部 数 据 通 路
BIU CU
时序系统 控制信号 形成电路 ……
总线 逻辑
CPU CPU CPU CPU
中断 机构
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3、CPU的寄存器组织 CPU的寄存器组织 用户可见寄存器和控制/状态寄存器两大类 两大类。 有用户可见寄存器和控制/状态寄存器两大类。 *用户可见寄存器： 用户可见寄存器： 数据REG— 数据REG— REG 地址REG— 地址REG— REG 通用REG— 通用REG— REG 条件码REG— 条件码REG— REG --存放地址及数据 --存放地址及数据
③执行指令阶段的操作及步骤受指令格式的影响 执行指令阶段的操作及步骤受指令格式的影响 操作及步骤
如操作类型、操作数长度、寻址方式、 如操作类型、操作数长度、寻址方式、指令字长
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2、指令执行过程与CPU的基本操作 指令执行过程与CPU的基本操作 CPU *CPU的基本操作类型： CPU结构及指令执行过程确定 *CPU的基本操作类型：由CPU结构及指令执行过程确定 的基本操作类型 REG间传送 间传送— REG间传送 R源→R目标； MAR→MEM( )→MDR →MEM(读 MDR； 存 储 器 读 — MAR→MEM(读)→MDR； 存 储 器 写 — MAR及MDR→MEM(写)； MAR及MDR→MEM( →MEM(写 →ALU(运算)→R 运算)→ 算 逻 运 算 — R源1及R源2→ALU(运算)→R结果 *指令执行过程：由若干有序的基本操作组成 指令执行过程：由若干有序的基本操作组成 有序 例1—指令R1←[(R0)]执行过程的CPU基本操作序列： 指令R1←[(R0)]执行过程的CPU基本操作序列： R1←[(R0)]执行过程的CPU基本操作序列 解： ① PC→MAR
1→Read， (PC)＋ 1→Read， (PC)＋1→PC M(MAR)→MDR
ADD→ALU
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四、数据通路组织
*术语：微操作步—能够并行执行的微操作； 术语：微操作步—能够并行执行的微操作； 并行执行的微操作 微操作步序列—有序排列的微操作步串 微操作步序列—有序排列的微操作步串 *数据通路：是CPU内部部件间传递数据的物理通道， 数据通路： CPU内部部件间传递数据的物理通道， 内部部件间传递数据 有总线通路、专用通路两种； 有总线通路、专用通路两种； *指令执行性能： 指令执行性能： 指令执行过程微操作序列所对应微操作步序列 微操作序列所对应微操作步序列的 指令执行过程微操作序列所对应微操作步序列的执行时间 *数据通路对指令执行过程的影响： 数据通路对指令执行过程的影响： 微操作序列→微操作步序列—数据通路决定了步数 决定了步数； 微操作序列→微操作步序列—数据通路决定了步数； 数据通路的影响—决定了指令执行性能， 数据通路的影响—决定了指令执行性能， 指令执行性能 影响运算器组织方法 影响运算器组织方法
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*控制/状态寄存器： 控制/状态寄存器：
--控制CPU的操作或运算 --控制CPU的操作或运算 控制CPU
PC—存放指令地址，作循环变量使用， PC—存放指令地址，作循环变量使用， 指令地址 通常具有计数功能； 顺序型指令占绝大多数 通常具有计数功能； ←顺序型指令占绝大多数 IR—存放当前指令内容； IR—存放当前指令内容； 当前指令内容 MAR—存放CPU所访问存储单元或I/O设备的地址； MAR—存放CPU所访问存储单元或I/O设备的地址； CPU所访问存储单元或I/O设备的地址 MDR—存放CPU欲写出或已读入的信息 数据或指令) CPU欲写出或已读入的信息( MDR—存放CPU欲写出或已读入的信息(数据或指令)； 程序状态字REG(PSW)—存放程序执行状态； 程序状态字REG(PSW)—存放程序执行状态； REG(PSW) 程序执行状态 其他REG—如段REG、系统模式REG等 其他REG—如段REG、系统模式REG等 REG REG REG
第五章 中央处理器
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CPU的结构与工作原理 §5.1 CPU的结构与工作原理
一、CPU的功能与结构 CPU的功能与结构
1、CPU的功能 CPU的功能
控制 运算器 … 中 断 请 求 1 的 、 …
CPU
控制器
控制 作控制 控制 工 理
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2、CPU的基本结构 CPU的基本结构 *CPU功能与组成部件： *CPU功能与组成部件： 功能与组成部件 ID； 指令控制— PC、IR、指令译码器ID 指令控制— PC、IR、指令译码器ID； 操作控制 时序系统、控制信号形成电路； —时序系统、控制信号形成电路； 时间控制 及状态REG 数据加工— ALU及状态REG、REG组 数据加工— ALU及状态REG、REG组； 中断处理— 中断机构。 中断处理— 中断机构。 *CPU基本结构：寄存器、运算器，CU、BIU、中断机构，通路 *CPU基本结构：寄存器、运算器，CU、BIU、中断机构， 基本结构
存储器读，(PC)＋ ② 存储器读，(PC)＋1→PC ③ MDR→IR ④ R0→MAR ⑤ 存储器读 ⑥ MDR→R1
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3、CPU的基本操作与微操作 CPU的基本操作与微操作 *术语：微操作—CPU内部的原子操作(不能再细化的操作)； 术语：微操作—CPU内部的原子操作 不能再细化的操作) 内部的 微操作序列—有序排列的微操作串 微操作序列—有序排列的微操作串 (1)寄存器间数据传送操作 (1)寄存器间数据传送操作 操作步骤：利用CPU内部数据通路直接实现数据传送 CPU内部数据通路直接实现数据传送； *操作步骤：利用CPU内部数据通路直接实现数据传送； *微操作序列：R源→R目标 微操作序列： (2)存储器读操作 (2)存储器读操作 操作步骤： *操作步骤： 发地址信号、发读信号， 发地址信号、发读信号， 等待操作完成、接收数据； 等待操作完成、接收数据； *微操作序列： 微操作序列： ① 1→Read ② M(MAR)→MDR
REG组 REG组
ALU
*操作步骤： 操作步骤： 个源寄存器数据送ALU入端并保持， ALU入端并保持 2个源寄存器数据送ALU入端并保持， ALU发运算命令 运算后数据送结果寄存器； 发运算命令， 向ALU发运算命令，运算后数据送结果寄存器； *微操作序列： 微操作序列： ① R源1→ALU ② R源2→ALU ③ OP→ALU ④ ALU→R结果 可为MDR ；R源可为MDR 的数据通路不冲突时， ；R源1、R源2的数据通路不冲突时，可并行 OP种类由ALU功能决定 种类由ALU ；OP种类由ALU功能决定 可与R ；R结果可与R源为同一寄存器
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CBus操作 ；实现MAR→ABus、Read→CBus操作 实现MAR→ABus Read→CBus MAR→ABus、 实现等待完成、DBus→MDR →MDR操作 ；实现等待完成、DBus→MDR操作 10
(3)存储器写操作 (3)存储器写操作 操作步骤： *操作步骤： 发地址信号、发写信号，发送数据、等待操作完成； 发地址信号、发写信号，发送数据、等待操作完成； *微操作序列： 微操作序列： ① 1→Write ② MDR→M(MAR)
1→Read M(MAR)→MDR
例3—指令R2←(R0)+(R1)执行过程的微操作序列： 指令R2←(R0)+(R1)执行过程的微操作序列： R2←(R0)+(R1)执行过程的微操作序列 解： ① PC→MAR
② ③ ④ MDR→IR ⑤ R0→ALU ⑥ R1→ALU ⑦ ⑧ ALU→R2
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…
…
的CPU 的CPU
的CPU 的CPU
*
：同 连
一 数据 的数据 的数据
；
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3、单总线通路CPU的指令执行过程 单总线通路CPU的指令执行过程 CPU 以基于REG CPU为例 假设PC REG的 为例， PC具有计数功能 以基于REG的CPU为例，假设PC具有计数功能 *例1—取指令阶段的微操作步序列：对所有指令通用 取指令阶段的微操作步序列： t1：PC→MAR， (PC)读 t1：PC→MAR， 1→Read ；用(PC)读MEM t2：(PC)+1→PC， (PC)+“1 t2：(PC)+1→PC，M(MAR)→MDR ；(PC)+ 1” t3： 指令→ t3：MDR→IR ；指令→IR PC→MAR与1→Read可放在 可放在同一步(MAR仅起传递作用 仅起传递作用) 注：①PC→MAR与1→Read可放在同一步(MAR仅起传递作用)； PC→MAR与(PC)+1→PC不能放在 不能放在同一步 部件使用冲突) ②PC→MAR与(PC)+1→PC不能放在同一步(部件使用冲突) *例2—单字长的取数指令R1←[(R0)]的微操作步序列： 单字长的取数指令R1←[(R0)]的微操作步序列： R1←[(R0)]的微操作步序列 t1～t3： t1～t3：略 t4：R0→MAR， (R0)读 t4：R0→MAR，1→Read ；用(R0)读MEM t5： t5： M(MAR)→MDR ；等待操作完成 t6：MDR→R1， 数据→ t6：MDR→R1，1→End ；数据→R1 End为 指令周期结束”信号，可触发进入下个CPU CPU周 注：End为“指令周期结束”信号，可触发进入下个CPU周 16 期