组成原理课程第六章(2013版)

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计算机组成原理
(1) LOAD 指令周期流程
R[0] (M[6]): 将主存6号单元内容送R0, RS型指令
取指阶段的操作 MAR (PC) X (PC) Z ALU PC (Z) MDR (M[MAR]) IR ( MDR) 各操作对应的控制信号 PCout =ARin=1 Xin=1 +1 Zout=PCin=1 Read=DREin=1 DRIout=IRin=1
微指令的字长，也与容量有一定关系(!)。要求控制存储器快速。
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计算机组成原理
2)微指令寄存器(IR) •存放从控存中读出的微指令 •是图中的哪部分? 3)微地址寄存器(AR) 存储访问CM的微地址
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计算机组成原理
4)微地址产生逻辑
用于产生后续微指令地址。能作为后继微指令地址的有下列形式：
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计算机组成原理
2)微操作的分类
微操作是计算机中最基本的操作，由于数据通路、逻辑功 能的关系，微操作可以分为相容性的和相斥性的微操作： •相容性的微操作 能同时并行执行的微操作 •相斥性的微操作 不能同时并行执行的微操作
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计算机组成原理
图中相斥性的微操作有：
(
+ 、 – 、
M )
( 4 、 6、 8 )
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计算机组成原理 2.指令周期流程
1)程序控制的过程，本质上是由控制器根据程序所包含的指令序列， 逐条执行指令的过程。 2)指令周期
一条指令从取出到执行完成所需时间 3)指令周期划分 (1)取指令周期: 根据PC的值取去主存储取指令； 如何形成后续指令地址。
(a)顺序执行指令时，将PC内容加当
R0out=DRIin=1 M[R[2]](MDR) DREout=Write=1
执行CPU周期用到的数据通路：
R2 → MAR 传送地址； 往主存存数据。
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R0 → MDR → MEM
计算机组成原理
(5) JMP 指令周期流程
PC (IRA) : 将1000送入PC，实现无条件转移
(4)异常和中断处理：
处理运算中的异常及处理外部设备的中断服务请求等。 (5) 数据加工处理：
对数据进行算术、逻辑运算，或将数据在相关部件之间传送。
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计算机组成原理 2.CPU的基本结构
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计算机组成原理
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计算机组成原理 1)控制器中各主要功能部件的作用:程序计数器PC
•给出并指示下一条指令的地址 •内容在取指完成后即可改变
前指令所占用的主存单元数 (b)当出现转移时，根据寻址方式、 转移条件、转移的目标地址等内容计算 得到。
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计算机组成原理
(2)译码/取操作数周期 对指令寄存器中的操作码字段进行译 码并识别指令类型 根据指令地址码和寻址方式，从寄存 器或存储器中读取操作数。 不同的寻址方式可能具有不同的取操 作数周期。
1)用( )表示读取寄存器或主存地址的内容，如（PC）表示读取PC寄
存器中的内容； 2)用[ ]表示主存单元地址或寄存器堆中寄存器的编号，则：
M[6]表示主存6号单元，(M[6])表示读取主存6号单元的数据；
R[6]表示寄存器堆中6号寄存器，(R[6])表示读取寄存器堆中6号 寄存器的数据； M[(R[6])]表示寄存器堆中6寄存器内容所指主存单元;(M[(R[6])]) 表示读取寄存器堆中6寄存器内容所指主存单元的内容。为简化对主 存单元的表示和访问，将它们分别简化成M[R[6]]和（M[R[6]]）。 3)用“AB”表示数据传送，其中B为数据源，A为目的端；
R[0] (R[0])+ (R[1]): 将R0和R1相加，结果送R0，RR型指令
执行阶段的操作 X (R[0]) Z ALU
对应的控制信号 R0out=Xin=1 R1out=1= ADD=1
R[0] (Z)
Zout = R0in=1
执行CPU周期用到的数据通路：
R0 →X→ ALU ；R1 → ALU 加数和被加数送ALU输入端 ALU → Z → R0 运算结果经Z写回寄存器R0。
下地址字段给出的地址是下条微指令地址，最终是否按照该 地址执行下一条微指令与是否进行条件测试及测试条件是否 成立等有关。
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计算机组成原理 4.指令操作流程:基于单总线结构的处理器
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计算机组成原理
根据指令周期的概念，任何指令第一个CPU周期都是取指周期，取 指周期中CPU要完成以下三件事： (1)根据PC的内容取出指令并送指令寄存器IR中保存(本书假定程序 首地址已存放在PC中)； (2)修改PC的值；（这里假定计算机字长8位，采用单字长指令，主 存按字节编址）； (3)对指令的操作码进行译码或测试，以确定指令在执行阶段将要 具体进行何种操作。
算术运算类指令大都要求双操作数， 因此，取操作数流程要经历两次，第 一次取源操作数，操作流程由源寻址 方式字段确定，第二次取目的操作数， 操作流程由目的寻址字段确定。
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计算机组成原理
(3)执行周期
控制器向算术逻辑运算单元及数据通 路中的其它相关部件发送操作控制命 令，完成由指令操作码规定的动作， 包括传送结果及记录状态信息。 操作结果送到哪里由寻址方式确定； 状态信息(如溢出)记录在PSW中;
( 5 、 7、 9 )
图中相容性的微操作有： 1 、 2 、3 (4、6、8) 与 (5、7、9)两组中各取一个任意组合
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计算机组成原理 2.微程序控制器的组成原理
1)控制存储器： 存放用来实现全部指令的所有微程序，是一种只读存储器，微程序固化 在其中，其容量取决于机器指令和每条指令微程序的长度，字长取决于
(a)取指CPU周期用到两条数据通路：
PC → MAR → MEM → MDR → IR
PC → X → ALU → Z → PC
(b)执行阶段用到的数据通路： IRA → MAR → MEM → MDR→ R0
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计算机组成原理
(1) LOAD 指令周期流程
R[0] (M[6]): 将主存6号单元内容送R0, RS型指令
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计算机组成原理
4)控制器中各主要功能部件的作用:操作控制器OC
•产生指令执行过程中所需要的控制信号
•实现指令的操作控制功能
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计算机组成原理
5)控制器中各主要功能部件的作用:时序产生器
•对操作控制信号进行同步
•实现控制器的时间控制功能
计算机组成原理 6)控制器中各主要功能部件的作用:数据缓冲寄存器DR
第六章
中央处理器
计算机组成原理
本章知识点
6.1 CPU的功能和基本结构 CPU的基本功能和常见的CPU基本结构 6.2 指令执行的过程 1)数据通路的概念及组成 2)指令周期流程图 6.3时序与控制器 6.4微程序控制器的工作原理 1)微程序控制的基本概念 2)微程序控制器的组成原理 3)微指令的编码方法 4)微程序设计举例 6.5硬布线控制器的工作原理 1)硬布线控制器的模型 2)硬布线控制器的基本原理与设计方法
•微程序的入口地址 •顺序地址
•转移地址
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计算机组成原理 3.微指令的的格式与微命令编码
1)微指令的格式
操作控制字段是微指令的主体，由若干微命令位组成。控制 字段中的每一位通常表示一个特定的微命令，微指令是否含 某个微命令，由该位的状态1或0决定。 判别测试字段指出微指令执行过程中需要测试的外部条件， 如进位、运算结果是否为零等；
•保存与主存之间交换的数据
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计算机组成原理 7)控制器中各主要功能部件的作用:地址寄存器AR
•存放CPU将要访问的主存单元地址
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计算机组成原理 6.2 指令执行的过程 1.数据通路的概念及组成
数据通路:数据在功能部件之间传送的路径； 数据在数据通路中的传送操作是在控制信号的控制下进行的； 数据通路的建立可用总线或专用通路两种方法来构建； 不同功能的指令及同一指令在执行的不同阶段的数据通路可不同； 数据通路的结构直接影响CPU内各种信息的传送路径、指令执行流程、 所需要的微操作控制信号及其时序安排和控制器的设计；
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计算机组成原理
2.启停控制电路
启停控制逻辑的作用是保证节拍和脉冲 信号的完整性。即启动从第一个CPU周期 的第一个节拍脉冲前沿开始工作，停机在 一个CPU周期的最后一个节拍脉冲的下降 沿结束。只有这样才能保证时序信号脉冲
的完整性和指令功能的完整性。
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计算机组成原理 6.4 微程序控制器的工作原理
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计算机组成原理 微指令
程序
微程序
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计算机组成原理
1)微命令和微操作 •控制部件与执行部件之间的联系
控制线
控制部件
反馈线 •微命令
执行部件
控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制信号(打开和关闭控制门)
•微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作
•反馈线的作用
向控制部件反馈执行的状态信息，以便控制部件进行状态测试ห้องสมุดไป่ตู้
执行阶段的操作 PC (IRA)
对应的控制信号 IRout=PCin=1
执行CPU周期用到的数据通路：
IRA → PC
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计算机组成原理 6.3时序与控制器
1.中央处理器的时序
过去的计算机采用主状态周期、节拍电位和节拍脉冲三级时序体制 来对操作控制信号进行定时控制.
主状态周期:一般对应指令的执行时间 节拍电位:对应指令执行的不同周期,如取指周期,以主存的工作周期为基础 节拍脉冲:完成一次微操作所需要的时间
•完成顺序控制的功能 •转移指令直接修改PC值
计算机组成原理 2)控制器中各主要功能部件的作用:指令寄存器IR
•保存当前正执行的指令