CPU与控制单元设计
冯诺依曼计算机体系结构
冯诺依曼计算机体系结构冯·诺依曼计算机体系结构（von Neumann architecture）是一种包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器（Memory）、输入/输出设备（Input/Output Device）和控制单元（Control Unit）等基本组件的计算机系统的组织结构。
这种计算机体系结构在20世纪40年代末至50年代初由冯·诺依曼提出，并成为了现代计算机的基础。
下面将详细介绍冯·诺依曼计算机体系结构的各个方面。
首先，中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件，负责执行指令、进行运算和控制计算机的其他组件。
它由算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和控制单元（Control Unit）组成。
ALU负责进行算术和逻辑运算，而控制单元则负责解码和执行指令、管理数据传输和控制计算机的其他组件。
CPU的设计使得计算机可以按照指令进行顺序执行，实现数据的处理和计算。
其次，存储器（Memory）是计算机系统中用于存储和获取数据和指令的组件。
冯·诺依曼计算机体系结构中的存储器被划分为两个主要部分：主存储器（Main Memory）和辅助存储器（Secondary Storage）。
主存储器是CPU能够直接访问的存储设备，它通常采用随机存储器（Random Access Memory，RAM）的形式，用于暂时保存计算机运行时的数据和指令。
与之相对，辅助存储器类似于硬盘或固态硬盘，用于长期存储数据和程序。
再次，输入/输出设备（Input/Output Device）用于计算机与外部世界之间的数据交换。
输入设备用于向计算机系统输入数据和指令，包括键盘、鼠标、触摸屏等；而输出设备用于将计算机处理的结果输出给用户，包括显示器、打印机、扬声器等。
输入/输出设备通过输入/输出接口与计算机系统的其他组件连接，实现数据的传输和交换。
CPU设计实践教程6-Minisys-1单周期CPU控制器的设计
指令操作码 ori
addiu
lw
sw
beq jump
RegDst
0
0
0
000000 R-format
1
RegDST = R-format
wire R_format;
assign R_format = (Opcode==6'b000000)? 1'b1:1'b0; assign RegDST = R_format; //说明目标是rd，否则是rt
output Sftmd; output[1:0] ALUOp;
// 他I-类型指令 // 为1表明是移位指令 // 是R-类型或I_format=1时位1为1, beq、bne指令则 // 位0为1
2021/9/5 P.22
单周期控制器设计
RegDST的控制电路
op 001101 001001 100011 101011 000100 000010
output nBranch; // 为1表明是Bne指令
output Jmp;
// 为1表明是J指令
output Sftmd; // 为1表明是移位指令
2021/9/5 P.25
单周期控制器设计
练习2
请给出下列控制信号电路的Verilog描述
assign Sw = ？？？？？ assign ALUSrc = ？？？？？ assign Branch = ？？？？？ assign nBranch = ？？？？？ assign Jmp = ？？？？？
2021/9/5 P.10
创建一个项目
在打开的Default Port对话框中选择的FPGA器件为 xc7a100tfgg484-1，如图所示，点击Next。
六章CPU设计
下地址控制编码方式
一般情况下后继微指令旳地址有下列几种给出方式：顺序递增法：将µPC设置成可实现自动加1旳功能，每当完毕目前指令旳执行，就以µPC +1后旳值为地址在控制存储器中取下一条微指令。直接给出法：下一条微指令旳地址直接取自微指令中旳下地址字段。分支转移法：在包括分支转移旳微指令中常设置一种条件选择子区域，用于指出哪些鉴定条件被测试，与此同步转移地址被存储在下地址字段。当转移条件满足时，将下地址字段旳内容读入到µPC中，取下一条微指令，实现微程序转移。若转移条件不满足，微程序则顺序执行。微程序入口地址旳形成：每条机器指令所相应旳微程序旳入口地址（首地址），一般由指令旳操作码所决定。在机器加电后，第一条微指令旳地址一般是由专门旳逻辑电路生成，也能够采用由外部直接输入旳形式取得。
操作控制编码方式
在操作控制字段一般涉及一种或多种操作控制域，每个控制域可控制一种或一组控制信号旳生成，根据控制信号是直接生成于控制域还是译码生成控制信号旳不同可分为下列几种形式。直接控制法：操作控制字段旳每一位都与一种独立控制信号相相应。若目前微指令旳某一位ki=1，则与之相应ci控制信号有效，不然ci控制信号无效。分段编码控制法：在微程序级别，许多微操作是能够并行执行。一般采用将微指令旳操作控制字段提成k个相互独立旳控制域，每一种控制域存储一组微操作，每一种编码相应一种微操作，每一种微操作都能够与其他控制域所存储旳任意一种微操作并行执行，但在组内旳微操作之间是互斥旳，不允许在同一时间段内发生或有效。分段间接编码控制法：在微指令格式里，假如一种字段旳含义不只决定本字段编码，还兼由其他字段决定，则可采用分段间接编码控制法。此时一种字段兼有两层或两层以上旳含义。其他方式：在实际微指令中操作控制编码并不是只单独采用上述三种编码方式中旳一种，而是将上述三种混合使用，以确保能综合考虑指令旳字长、灵活性和执行微程序旳速度等方面旳要求。
构成cpu的主要部件是什么
“构成CPU的主要部件是运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。
算术逻辑单元：算术逻辑单元(arithmetic and logic unit) 是能实现多组算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路，简称ALU。
寄存器：寄存器的功能是存储二进制代码，它是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。
一个触发器可以存储1位二进制代码，故存放n 位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。
控制单元：控制单元（Control Unit）负责程序的流程管理。
正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。
控制单元可以作为CPU的一部分，也可以安装于CPU外部。
中央处理器：中央处理器作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。
CPU 自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。
中央处理器（CPU），是电子计算机的主要设备之一，电脑中的核心配件。
其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
CPU是计算机中负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。
中央处理器主要包括两个部分，即控制器、运算器，其中还包括高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制的总线。
电子计算机三大核心部件就是CPU、内部存储器、输入/输出设备。
中央处理器的功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。
在计算机体系结构中，CPU 是对计算机的所有硬件资源（如存储器、输入输出单元）进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元。
CPU 是计算机的运算和控制核心。
计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作。
结构通常来讲，CPU的结构可以大致分为运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。
基于多CPU结构的电控组合泵电控单元设计
基于多CPU结构的电控组合泵电控单元设计尤丽华;唐雄辉;安伟;孙晓琴;李刚;王诣【期刊名称】《车用发动机》【年(卷),期】2009(000)006【摘要】提出了用多片C8051F500八位微处理器合理分配任务的电子控制单元结构方案,设计了多CPU的低成本电子控制单元的硬件和软件.总线隔离和权限电路解决了多CPU共享存储器的问题,双阶段PWM波限流控制驱动电路有效提高了高速电磁阀的驱动速度并改善驱动波形.基于模块化设计思想设计了电子控制单元软件.在油泵试验台上对电控单元的驱动品质、喷油定时以及喷油延续角的控制效果等进行了测试.结果表明,所设计的电控单元驱动响应快,控制精度高,性能稳定.【总页数】5页(P28-32)【作者】尤丽华;唐雄辉;安伟;孙晓琴;李刚;王诣【作者单位】江南大学机械工程学院,江苏,无锡,214122;江南大学机械工程学院,江苏,无锡,214122;江南大学机械工程学院,江苏,无锡,214122;无锡威孚高科技股份有限公司技术中心,江苏,无锡,214000;无锡威孚高科技股份有限公司技术中心,江苏,无锡,214000;无锡威孚高科技股份有限公司技术中心,江苏,无锡,214000【正文语种】中文【中图分类】TK423.8【相关文献】1.基于MPC5602的CDPF喷油助燃再生系统电控单元设计 [J], 程晓章;谢振凯;李配楠2.组合机床电控单元系统的CAN总线接口软硬件设计 [J], 楼少敏3.自动变速器主从结构电控单元硬件设计 [J], 濮阳煌;吴光强;黄蒙;王雷雷4.基于dSPACE的硬件在回路仿真在单体泵柴油机电控单元开发中的应用 [J], 褚全红;白思春;贾利;杨凤秋;付海燕;靳范萍;吴永兴;刘洪涛5.基于汽车电子的SCR电控单元的设计分析 [J], 冯吉涛因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
机车制动控制单元的双CPU控制板冗余设计
第 ５期
电力机车与城轨车辆
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｌ ｏ ｃ ｏ ｍｏ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ＆ Ｍａ ｓ ｓ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｔ Ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ
Ｖ０１ ． ３６ Ｎｏ． ５
２ ０ １ ３年 ９月 ２ ０日
Ｓ ｅ ｐ． ２ ０ ｔ ｈ， ２ ０ １ ３
摘 要 ： 制动控制单元 Ｂ Ｃ Ｕ的正 常运行对机车安 全行驶具有重 大的作 用。文章基于冗余控制思想 ， 提
出了双 Ｃ Ｐ Ｕ冗余控 制热备份方案 ， 设计 实现 了基 于热备份技术 的双 Ｃ Ｐ Ｕ冗余 控制 ， 详 细叙 述 了 Ｂ Ｃ Ｕ的 Ｃ Ｐ Ｕ 控制板 和双 Ｐ Ｃ １ ０ ４控制板冗余控制 的系统组成 和软硬件设 计 ， 并 分析了双 Ｃ Ｐ Ｕ冗余 控制的可靠性 。 该技术 可 有效地增强 Ｂ Ｃ Ｕ工作 的可靠性 ， 提 高了机车的制动性能 ， 保障 了长 区间机车运行 的安全性 。 关键 词 ： 制动控制单元 ；双 Ｃ Ｐ Ｕ切换 ； 冗余控制 ； 热备份
ｄ ｒ ｉ ｖ ｉ ｎ ｇ ．Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｓ ａ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｏ ｆ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ ＣＰ Ｕ ｒ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ａ ｎｃ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｈ ｏ ｔ ｂ ａ ｃ ｋ ｕ ｐ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｒ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ａ ｎ ｃ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ
Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： ｂ ｒ ａ ｋ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｕ ｎ ｉ ｔ ； ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ Ｃ Ｐ Ｕ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ ｏ ｖ ｅ ｒ ；ｒ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ａ ｎ ｃ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ； ｈ ｏ ｔ ｂ ａ ｃ ｋ ｕ ｐ
关于冯诺依曼型体系结构的计算机五大部件
关于冯诺依曼型体系结构的计算机五大部件计算机是当代信息化社会最为重要的工具之一，而冯诺依曼型体系结构是计算机体系结构设计中的一种经典模型，也是目前计算机体系结构的基石。
冯诺依曼型体系结构的基本框架由计算机五大部件组成，这五大部件分别是中央处理器（CPU）、存储器（Memory）、输入设备（Input）、输出设备（Output）和控制器（Control Unit），下面将逐一进行讲解。
第一部分：中央处理器（CPU）中央处理器，简称CPU，是冯诺依曼计算机的核心部件。
它是负责执行指令、控制数据流、进行算术和逻辑运算的芯片。
一般而言，CPU由控制单元和运算单元两个主要部分组成。
控制单元负责对程序流程的控制，而运算单元则负责算术和逻辑操作。
第二部分：存储器（Memory）存储器是计算机中用于存放数据和程序的部件，也是计算机五大部件之一。
在冯诺依曼型体系结构中，存储器可以分为内存储器和外存储器两种。
内存储器是指内部存储器，它由随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种组成。
而外存储器则是指外部设备，如硬盘、光盘等。
第三部分：输入设备（Input）输入设备是指用于将信息输入到计算机中的各种设备，如键盘、鼠标、扫描仪等。
这些设备可以将用户的操作或外界的信息转化为计算机能够处理的数据。
第四部分：输出设备（Output）输出设备是指将计算机处理后的数据通过各种形式展示给用户或输出到外部设备中的装置，如显示器、打印机、音箱等。
它们可以将计算机处理后的结果传递给用户或外界的其他设备。
第五部分：控制器（Control Unit）控制器是CPU中的一个单元，它负责控制和协调计算机的工作流程。
控制器通过读取存储器中的指令并按照指令依次执行，从而完成各种任务。
控制器还可以控制数据的输入输出，并根据需要修改存储器中的数据。
综上所述，中央处理器、存储器、输入设备、输出设备和控制器是计算机五大部件，也是冯诺依曼型体系结构的核心组成部分。
第6章中央处理器(终)
第6章 中央处理器
本章学习内容
• 6.1中央处理器的功能和组成 • 6.2 控制器的组成和实现方法 • 6.3 时序系统与控制方式 • 6.4 微程序控制原理 • 6.5 控制单元的设计 • 6.6 流水线技术 • 6.7 精简指令系统计算机RISC
4
第6章 中央处理器
本章学习要求
• 理解：CPU的功能和主要寄存器
内频=外频×倍频
18
第6章 中央处理器
4.前端总线频率
前端总线通常用FSB表示，它是CPU和外界 交换数据的最主要通道，主要连接主存、显卡等 数据吞吐率高的部件，因此前端总线的数据传输 能力对计算机整体性能作用很大。
在Pentium 4出现之前，前端总线频率与外频 是相同的，因此往往直接称前端总线频率为外频。 随着计算机技术的发展，需要前端总线频率高于 外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate）技术 或者其他类似的技术，使得前端总线频率成为外 频的2倍、4倍甚至更高。
CPU 的 字 长 是 指 在 单 位 时 间 内 同 时 处理的二进制数据的位数。CPU按照其处 理信息的字长可以分为：8位CPU、16位 CPU、32位CPU以及64位CPU等。
16
第6章 中央处理器
2.内部工作频率
内部工作频率又称为内频或主频，它是衡
量CPU速度的重要参数。在其他性能指标相同 时，CPU的主频越高，CPU的速度也就越快。 内部时钟频率的倒数是时钟周期，这是CPU中
pro、Pentium Ⅱ/Ⅲ每个时钟周期可以执行3条
或更多的指令。
17
第6章 中央处理器
3.外部工作频率
外部工作频率，也叫前端总线频率或系统 总线时钟频率，它是由主板为CPU提供的基准 时钟频率。由于正常情况下，CPU总线频率和 主存总线频率相同，所以也是CPU与主存交换 数据的频率。
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三、微程序原理
四、微程序控制器设计
1.1 CPU的结构与功能
CPU的功能
取指令：具备从存储器中取出指令的功能
地址部件：解决指令地址的产生 指令部件：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，计算指令操作对象的位置（地 址） 译码部件：对指令进行译码 执行指令：实现指令的操作功能
指令周期
指令周期 取指周期：从存储器取出指令送指令寄存器 取数周期：计算操作数有效地址，取出操作数； 执行周期：执行指令的功能
指令周期与机器周期、节拍周期的关系
同步控制方式下，指令周期包括多个（不一定固定）机器周期； 每个机器周期包括固定个数的节拍周期
2.1 控制方式与时序系统
计算机组成原理与汇编语言
（组成原理部分） 2000级
北航计算机学院 刘旭东
Tel ：82316285，82317634 Mail：liuxd@
第五部分
CPU与控制单元设计
一、CPU的结构与功能
二、指令流程与组合逻辑控制器
三、微程序原理
四、微程序控制器设计
一、CPU的结构与功能 二、指令流程与组合逻辑控制器
M3.T1 M3.T2 M3.T3 M3.T4
IB Z
AB MAR, RD, W/B
MDR DB
CPMDR
2.2 指令流程与微操作时间表
结构图
时间节拍 M4.T1 执 行 周 期 M4.T2 M4.T3 M4.T4
完成功能 源操作数送AX
需要的微操作信号
IB MDR, WRGR, W/B
需要的控制脉冲 AX的地址
2.2 指令流程与微操作时间表
MOV 1000H[BX], AX 指令执行的微操作流程
指令长度：32位，分两次读取（指令代码：89870010H） 读取指令周期：机器周期M1内完成（读第一个16位） 读变址值周期：机器周期M2内完成
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。
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。
1.2 模型机结构
Control Bus Data Bus Address Bus
控制与状态寄存器：一般用户不可见，为系统控制专用，用户不 可直接使用。 MAR（Memory Address Register）：存储器地址寄存器 MBR/MDR（Memory Buffer Register，Memory Data Register）：存储器数据缓冲寄存器
PC（Program Counter）：程序计数器，存放下一条指令的 地址
2.2 指令流程与微操作时间表
取指周期的微操作流程
取指流程需要4个节拍 指令地址送MAR
结构图
存储器读出指令 指令送MDR，并调整PC 指令送IR 每条指令执行过程的第一个机器周期M1都是取指周期（取到指令核心部分）
时间节拍 M1.T1 M1.T2 M1.T3 调整PC M1.T4 MDR（指令）送IR PC+1 IB MDR CPPC CPIR 完成功能 指令地址送MAR Read Memory 指令送MDR 需要的微操作信号 IB PC
CPMDR
CPPC CPIR CPC, BX地址 AX地址
执 行 周 期
M2.T1 M2.T2 M2.T3 M2.T4
2.2 指令流程与微操作时间表
MOV AX，1000H[BX] 指令执行的微操作流程
指令长度：32位，分两次读取（指令代码：8B870010H） 读取指令周期：机器周期M1内完成（读第一个16位） 读变址值周期：机器周期M2内完成
取数：计算操作数地址，读取操作数，要根据操作数的来源与寻址 方式才能确定具体的操作过程。
执行：执行并送结果。
取指周期
指令的核心部分占16Bits，机器字长16Bits，每一次从存储器能读 取16Bits 指令编码长度有2个字节（16位），4个字节（32位），甚至6个字 节，但指令核心部分长度为16位。 取指周期特指读取指令核心部分（16Bits）的周期，所以在这种前 题下，所有指令的取指周期是完全一样的。
结构图
取操作数周期：机器周期M3内完成 执行周期：机器周期M4内完成
时间节拍 完成功能 需要的微操作信号 需要的控制脉冲
M1.T1
取 指 周 期 M1.T2 M1.T3
指令地址送MAR
Read Memory
IB PC
AB MAR, RD, W/B
CPMAR
指令送MDR
调整PC M1.T4 MDR（指令）送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 中断系统：处理异常事务 内部总线：CPU内部数据通路（Internal Bus）
1.1 CPU的结构与功能
CPU内部结构 执行单元 控制单元 寄存器单元
ALU 控制信号
中断系统 CU
微操作控制信号
IR（Instruction Register）：指令寄存器，存放当前执行的指 令编码
1.1 CPU的结构与功能
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）
MDR DB
PC+1 IB MDR
CPMDR
CPPC CPIR
2.2 指令流程与微操作时间表
时间节拍 M2.T1
取 变 址 值
结构图
完成功能 PC送MAR
从存储器读取1000H
1000H送MDR
需要的微操作信号 IB PC
AB MAR, RD, W/B
需要的控制脉冲 CPMAR
M2.T2
AB MAR, RD, W/B
需要的控制脉冲 CPMAR
MDR DB
CPMDR
2.2 指令流程与微操作时间表
MOV AX，BX 指令执行的微操作流程
指令长度：16位，一次可读取完毕（指令代码：89DBH) 读取指令周期：机器周期M1内完成 执行周期：机器周期M2内完成
时间节拍 完成功能 需要的微操作信号
控制信号：根据指令的操作性质和操作对象的地址，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，实现指令所表示的功能。
1.1 CPU的结构与功能
CPU的结构
运算器：算术逻辑运算单元（ALU） 寄存器：通用计算机（GR），标志寄存器（FR，又称程序状态字 PSW） 控制单元（CU）： 指令部件：指令寄存器（IR）
结构图
需要的控制脉冲
M1.T1
取 指 周 期 M1.T2 M1.T3
指令地址送MAR
Read Memory
IB PC
AB MAR, RD, W/B
CPMAR
指令送MDR
调整PC M1.T4 MDR（指令）送IR BX送暂存器C 暂存器C送AX 无操作 无操作
MDR DB
PC+1 IB MDR IB GR, RDGR, W/B IB C, WRGR, W/B
MDR->DB W/B DB->MDR
返回
微操作信号 C
CPC C->IB R W W/ D R B
MAR -> AB
MAR
CPMAR
MDR
CPMDR MDR->IB
MEMORY
控制 部件
Internal Bus
D->IB SAL SAR RDGR WRGR W/B CPZ Z -> IB
GR -> IB
PC->IB
AH BH CH DH SP BP SI DI
AL BL CL DL
D
A
CPD
PC
B
CPPC
时序 部件
译码电路
ADD SUB B-1
ALU
PC+1 CLPC
Z FR
IR
FR->IB
CPIR
GR Add
1.2 模型机结构
简化的8086／8088结构
16位系统
通用寄存器部件 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
M2.T3
MDR DB
CPMDR
调整PC
M2.T4 MDR（1000H）送D (BX)+1000H 送 Z 源操作数地址 Z 送MAR 读取源操作数 源操作数送MDR
PC+1
IB MDR
IB GR, RDGR, W/B, ADD
CPPC
CPD BX地址, CPZ CPMAR
取 数 周 期
Q D
Q
1
Q D
CLK
2.2 指令流程与微操作时间表
指令周期分析（针对模型计算机及其指令系统 而言）
取指周期的微操作流程 MOV指令的微操作流程 单操作数指令的微操作流程 双操作数指令的微操作流程
其他指令的微操作流程
2.2 指令流程与微操作时间表
指令的执行过程
取指：从存取器读取当前指令送到指令寄存器（IR），要根据指令 编码的长度才能确定读取指令的详细流程。
REG 000 001 010 011 100 101 110 111
W=1 AX CX DX BX SP BP SI DI
W=0 AL CL DL BL AH CH DH BH
1.3 模型机的指令系统
双操作数指令格式