1、本章给出了CPU的工作原理、结构、和工作过程。解决了软件与硬件的界面。5.1CPU概述概述 在计算机系统中，中央处理器CPU是由控制器和运算器两大部分组成的。控制器是整个系统的指挥中心，在控制器的控制之下，运算器、存储器和输入输出设备等部件构成了一个有机的整体。取指令 控制器必须具备能自动地从存储器中取出控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能指令的功能分析指令 一、分析次指令要完成什么操作；二、分析一、分析次指令要完成什么操作；二、分析参与这次操作的操作数地址参与这次操作的操作数地址执行指令 根据分析指令产生的操作命令和操作数地址根据分析指令产生的操作命令和操作数地址的要求，形成操作控
2、制信号系列，进而执行指令的要求，形成操作控制信号系列，进而执行指令5.2CPU的组成的组成 CPU是数字计算机的主要设备之一，其主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。CPU是计算机中的核心部件，是一台计算机的运算核心和控制核心。计算机中所有操作都由CPU通过读取指令，对指令译码并执行实现的。5.2CPU的组成的组成5.2.1构成CPU的主要部件接口及外设主存储器SPBPSIDIAXBXCXDXDRARTSIPPSW时序部件控制命令产生部件IR5.2CPU的组成的组成5.2.2CPU中的寄存器寄存器是CPU内部重要的数据存储资源，是汇编程序员
3、能直接使用的硬件资源之一。寄存器一般用来保存程序的中间结果，为随后的指令快速提供操作数，从而避免把中间结果存入内存，再读取内存的操作。5.2CPU的组成的组成5.2.2CPU中的寄存器5.2CPU的组成的组成5.2.2CPU中的寄存器通用寄存器地址指针寄存器条件码寄存器段地址寄存器可用于存放操作数，也可作为满足某种寻址方式所需的寄存器 将专用寄存器作为基址寄存器、变址寄存器或栈指针段寄存器与地址指针寄存器合成物理地址，使寻址空间大于16位条件码寄存器存放条件码，其对用户来说是部分透明的通常通常CPU执行机器执行机器语言访问语言访问5.2CPU的组成的组成5.2.2CPU中的寄存器ARDRIRP
4、C存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储单元的地址 存储器数据寄存器，用于存放欲存入存储器中的数据或最近从存储器中读出的数据程序计数器，存放现行指令的地址，通常具有计数功能指令寄存器，存放当前欲执行的指令用于控制用于控制CPU的操的操作和运算作和运算5.2CPU的组成的组成5.2.3CPU中的运算器 运算器主要完成对二进制数据的定点算术运算、逻辑运算以及移位操作。在某些CPU中还有专门用于处理移位操作的移位器。运算器的主要功能是对数据进行加工和处理。它是在控制器的控制下工作的，是一个加工处理部件。其主要功能如下：（1）对数据进行加工处理，主要包括对数值数据的算术运算，如加、减、乘、除运算，变
5、更数据的符号等。（2）对各种数据的逻辑运算。（3）它是传递数据的一条重要途径。5.2CPU的组成的组成5.2.3CPU中的运算器（1）存放待加工的信息或加工后的结果信息的通用寄存器组。（2）按操作要求控制数据输入的部件：多路开关或数据锁存器。它可以接收来自外部设备或存储器中的数据，也可以是暂存通用寄存器中的数据。（3）按操作要求控制数据输出的部件：输出移位和多路开关，它们可以将ALU的输出，根据要求进行左移、右移、直送、半字交换，并从中选择之一进行输出，经总线送往其他部件，或作为中间结果送给通用寄存器，再次作为ALU的输入，进行下次运算。（4）计算器与其他部件进行信息传送的总线以及总线接收器与
6、发送器，总线接收器与发送器通常是由三态门构成的。运算器的主要部件如下：5.2CPU的组成的组成5.2.3CPU中的运算器5.2CPU的组成的组成5.2.3CPU中的运算器在这种数据通路下，在这种数据通路下，CPUCPU内部功能部件内部功能部件之间设置专用的数据通路，让各部件的之间设置专用的数据通路，让各部件的数据、地址等信号走自己专用的连接线数据、地址等信号走自己专用的连接线5.2CPU的组成的组成5.2.3CPU中的运算器数据通路是指数据在CPU各功能部件之间传送的路径1.连接两个以上数字器件的信息通路称为连接两个以上数字器件的信息通路称为总线总线oCPU每取出并执行一条指令，都要完成一系列
7、的操作，这一系列操作所需的时间通常叫做一个指令周期。更简单地说，指令周期是取出并执行一条指令的时间。o指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称为机器周期。o而一个CPU周期时间又包含有若干个时钟周期（通常称为节拍脉冲或T周期，是处理操作的最基本单位）。o计算机的程序执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程。5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念(1)(PC)MAR，READ(2)(PC)+1PC(3)读操作MDR，并发出MFC。(4)(MDR)IR，指令译码器对操作码字段OC开始译码。(1)OC：识别和区分不同
8、的指令。(2)AC：获取操作数的方法。执行指令阶段完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。F(IR，PSW，时序)微操作控制信号序列，若无意外事件（如结果溢出）发生，机器就又从PC中取得下一条指令地址，开始一条新指令的控制过程。5.3指令周期指令周期o为了简化模型机，规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念o整型数值的范围为128,127时，若为小数则表达的范围为1,1）。D7D6D0符号位数值位模型机的数据格式模型机的数据格式其中，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定00、01、10对应寄存器R0、R1、R2，即00表示使用
9、R0，01表示使用R1，10表示使用R2。该代码经微控制器产生LDR0LDR2信号。7 6 5 43 21 0OP-CodeRsRd5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念模型机模型机4大指令大指令涉及9条算术/逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：其中，addr=10时，选中INPUT DEVICE中的开关组作为输入设备，addr=11时，选中OUTPUT DEVICE中的LED作为输出设备。5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念模型机模型机4大指令大指令输入和输出指令采用单字节指令，其格式如下：7 6 5 43 21 0Op-CodeAddrRd75
10、 643 21 00M0OP-CodeRdD寻址模式M有效地址E说明00011011E=DE=(D)E=(RI)+DE=(PC)+D立即寻址直接寻址变址寻址相对寻址5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念模型机模型机4大指令大指令模型机设计两条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA）；两条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZ/C），两种指令的指令格式为：其中，Rd为目的寄存器地址（LDA、STA指令使用）。D为位移量（正负均可），M为寻址模式，其定义如左：本模型机共有16条基本指令，其中算术/逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条，输 入 输 出 指
11、令 2 条，停 机 指 令 1 条。5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念模型机模型机4大指令大指令指令格式如下：7 6 5 43 21 0Op-Code0000总结 5.3指令周期指令周期控制器在实现一条指令的功能时，总是把每一条指令分解成一串时间上先后有序的最基本、最简单的控制操作动作。在计算机中，一个最基本、最简单的操作称为微操作。执行指令的一串微操作动作，称为指令的微操作序列。5.3.1指令周期的概念 1）“从主存中取出数”的微操作序列 （1）R1PC，LDPC有效，完成R1PC。（2）PCBUS，PCPC+1，LDAR有效，完成PCAR。（3）AR地址总线，OE有效，W/RR
12、，完成存储器读所需地址和控制信号。（4）控制器等待存储器完成数据输出后给出LDR0有效，数据装入R0。5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念 2）“向主存中写数”的微操作序列 （1）R1PC，LDPC有效，完成R1PC。（2）PCBUS，PCPC+1，LDAR有效，完成PCAR。（3）控制器R0B信号，R0送出数据到BUS。（4）AR地址总线，OE有效，W/RW，完成存储器读所需地址和控制信号，存储器完成存数操作。3）ADD R0，D 这条指令是将寄存器R0与立即数D相加，结果送R0。它是立即寻址方式。取指令时，PC地址总线，PCPC+1，微控制器送OE=1和 W/R=W=1，LDIR
13、有效，从内存取指令由数据总线送IR。经由微控制器译码完成如下操作：（1）R0BUS，LDDR1完成寄存器R0送DR1。（2）PC地址总线，PCPC+1，微控制器送OE=1和 W/R=R=0，LDDR2有效，从内存取数由数据总线送DR2。（3）微控制器通过S0S3、M、CN发出加法信号。（4）ALUBUS，LDR0有效，运算结果送R0。5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念 4）SUB R0，（R1）本条指令是将寄存器R0中的操作数与R1所指地址中的操作数相减，结果送R0。它是寄存器间接寻址方式。PC地址总线，PCPC+1，微控制器送OE=1和 W/R=W=1，LDIR有效，从内存取指令
14、由数据总线送IR。经 由微控制器译码完成如下操作：（1）R0BUS，LDDR1完成寄存器R0送DR1。（2）R1BUS，LDPC有效，即R1PC。（3）PC地址总线，PCPC+1，微控制器送OE=1和 W/R=R=0，LDDR2有效，从内存取数由数据总线送DR2。（4）微控制器通过S0S3、M、CN发出加法信号。（5）ALUBUS，LDR0有效，运算结果送R0。5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念 5）转移指令 JMP D 本条指令是跳到当前PC+D所指地址执行下一条指令。转移类指令是从取指周期进入执行周期的。有两种转移指令：一种是无条件转移指令，另一种是条件转移指令。5.3指令周期
15、指令周期5.3.1指令周期的概念 （1）取指令操作。PCAR，PCPC+1，RAMBUS，BUSIR （2）读存储器数据。PCAR，PCPC+1，RAMBUS，BUSRd （3）写存储器数据。PCAR，PCPC+1，RsBUS，BUSRAM （4）运算操作。大部分运算操作可在数据送达ALU的两输入端时由S0S3给出操作命令，但在间接寻址时也可有如下操作：DR1+DR2BUS，BUSAR （5）其他必需的基本微操作。5.3指令周期指令周期5.3.1指令周期的概念5.3指令周期指令周期5.3.2指令运行过程中的事务处理当前周期结束停机指令掉电？DMA程序中断下一周期开始停机处理掉电处理DMA周期中
16、断处理对于来自控制台的停机请求对于占用总线控制权而进行数据传输的请求电源掉电的处理对运行中的故障事务处理对一般性外部设备的数据传输请求 时序系统的功能是为指令的执行提供各种操作定时信号。指令系统中的每条指令均有一个微操作序列，当用这些微操作信号去控制硬件线路产生相应动作时，应注意微操作控制信号彼此间严格的时间顺序。即使在同一操作步骤中，由于被控制操作的硬件线路、元器件性能不同，各个操作控制信号在时序作用宽度上的要求也不尽相同，有的需要宽脉冲作用，有的需要窄脉冲作用。在机器中必须有产生这些定时信号的部件，即时序部件。5.3指令周期指令周期5.3.3时序及功能 时序部件就是计算机的机内时钟。用其产
17、生的周期状态、节拍电位以及时标脉冲对指令周期进行时间划分和标定。把这些有时序关系且符合线路控制要求的时序信号连同指令码和操作中反馈条件信号等要求综合加工，就可以产生各种微操作控制信号。在计算机中，由于各种指令的操作功能不同，所以各种指令的指令周期是不同的。指令周期通常由若干个机器周期来表示，机器周期也称为CPU周期。由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存所花的时间较长，因此许多计算机系统中通常用存储读写周期为量度来规定CPU周期。5.3指令周期指令周期5.3.3时序及功能5.3指令周期指令周期5.3.3时序及功能三级控制时序信号的组合关系同步控制方式异步控制方式同异步联合控制方式5
18、.3指令周期指令周期5.3.4CPU的控制方式 控制器控制一条指令运行的过程是依次执行一个确定的微操作序列的过程。由于不同指令所对应的微操作步骤及其繁简程度有着很大的差别，因此每条指令和每个微操作所需的执行时间也不相同。5.4微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器5.4.1微程序设计技术 1.控制字控制字表征微操作控制要求的字，称为控制字（表征微操作控制要求的字，称为控制字（CW）3.微地址微地址 给每个存放控制字的单元都赋以给每个存放控制字的单元都赋以“地址地址”，此地，此地址称为址称为“微地址微地址”4.微指令微指令具有微地址的控制字称为具有微地址的控制字称为“微指令微指
19、令”2.微命令微命令把用来完成像打开和关闭控制门这样一类最基本操把用来完成像打开和关闭控制门这样一类最基本操作动作的信号称为微命令作动作的信号称为微命令 5.微程序微程序一系列微指令的有序集合构成微程序一系列微指令的有序集合构成微程序 6.微周期微周期微周期就是从控制存储器中读出一条微指令并执行微周期就是从控制存储器中读出一条微指令并执行相应操作所需要的时间相应操作所需要的时间5.4微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器5.4.1微程序设计技术字段直接编译法字段间接编译法5.4微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器5.4.1微程序设计技术操作码的位数与位置固
20、定，这时可直接使操作码与微地址码的部分位相对应 每条机器指每条机器指令对应一段微程令对应一段微程序，当执行公用序，当执行公用的取指微程序，的取指微程序，从主存中取出机从主存中取出机器指令后，由机器指令后，由机器指令的操作码器指令的操作码指出微程序的首指出微程序的首地址。地址。当每类指令的操作码位数与位置固定，而各类指令之间的操作码位数与位置不固定时，可采用分级转移的方法。当操作码的位数与位置都不固定时，通常的方法是采用PLA事项5.4微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器5.4.1微程序设计技术增量方式将微程序起始地址送入微程序计数器PC中，由PC的递增来控制微程序的执行 计
21、算机得到计算机得到微程序入口后，微程序入口后，就开始执行微程就开始执行微程序，后继微地址序，后继微地址的形成方法对微的形成方法对微程序编制的灵活程序编制的灵活性影响很大。性影响很大。在微指令字的格式中，增设下地址字段之后，就用微地址寄存器（AR）取代程序计数器字段1字段2字段3NAF（下地址字段5.4微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器5.4.2微程序控制器5.4.2微程序控制器 5.4微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器4321 从控制存储器中运行取指令微程序，从控制存储器中运行取指令微程序，完成从主存储器中取得机器指令的工作。完成从主存储器中取得机器
22、指令的工作。根据机器指令的操作码，得到相应机根据机器指令的操作码，得到相应机器指令的微程序入口。器指令的微程序入口。逐条取出微指令，完成相关微操作控制。逐条取出微指令，完成相关微操作控制。执行下一条机器指令。执行下一条机器指令。5.4.2微程序控制器5.4微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器 5.4微程序设计技术和微程序控制器微程序设计技术和微程序控制器5.5CPU的新技术的新技术 如何加快指令的执行过程是计算机系统设计的基本任务。除了采用高速部件外，流水线控制方法也是一种常用的控制技术，其目的在于提高指令的并行性，从而加速指令的解释过程。流水线技术不只用于指令的解释过程，
23、还广泛用于计算机系统结构的其他方面，如向量流水线处理等。计算机已广泛采用多核技术，在软件支持下可并行完成程序的进程。加快指令的执行还有多级高速缓存技术。5.5CPU的新技术的新技术5.5.1流水线技术 流水线技术是将一个重复的时序过程分解成若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。5.5CPU的新技术的新技术5.5.1流水线技术处理机间流水线处理机间流水线单功能流水线单功能流水线多功能流水线多功能流水线处理器级流水线处理器级流水线部件级流水线部件级流水线分类分类按完成功能分按级别分静态流水线静态流水线动态流水线动态流水线按连接方式分标量流水线标量流水线向量流水
24、线向量流水线按数据表示分多核CPU是指在一枚封装中集成两个或多个完整处理器内核，通过Cache进行联系和数据交换；经特别设计的操作系统会利用所有相关的资源，将它的每个执行内核作为分立的逻辑处理器。通过在多个执行内核之间划分任务，多核处理器可在特定的时钟周期内执行更多任务。5.5CPU的新技术的新技术5.5.2CPU多核技术o中央处理器CPU是计算机的核心部件，具有程序控制、操作控制、时间控制、数据加工等基本技能。oCPU从储存器取出一条指令并执行这条指令的时间称为指令周期。由于各种指令的操作功能不同，各种指令的指令周期是不尽相同的。划分指令周期，是设计操作控制器的重要依据。o计算机的基本过程主要是指执行指令的过程，可以分为三个阶段：取指令；分析指令；执行指令。o时序系统的功能是为指令的执行提供各种操作定时信号。时序部件是计算机的机内时钟，它用其产生的周期状态、节拍电位及时标脉冲去对指令周期进行时间划分，刻度和标定。oCPU控制方式有同步控制、异步控制、同异步控制方式三种。o微程序设计技术是利用软件方法设计控制器操作的一门技术，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点。o流水CPU是以时间并行性为原理构造的处理器，是一种非常经济而实用的并行技术。
