计算机组成原理与汇编语言5.

1、第五章中央处理麥CCPUJ第一节中央处理春的总体结构CPU功能：从主存取指、解释、执行指令。程序控制功能、数据处理功能、操作定 序功能CPU基本组成：控制部件(CU)算术逻辑运算禅件fALUJ Cache存赭春口中靳糸统各种寄存晟 CP U内部数据通珞栈型机CPU的总体结构CPU的设计步骤大敷如下：1、确定总体结构，设计数据通路及相应控制信号；2、设计指令糸统及肘序糸统，拟定指令流程，确定 微操作控制信号；3、设计产生各种微操作控制信号的控制部件两种类型组合逻辑控制器、微程序控制器第五章中央处理赛（CPU丿栈型机CPU的总体结构以8086的结构及指令糸统为基础简化役计栈矍机1总体结构单BUS结

2、构：CPU、存储森及I/O部件柱接应一组糸统总线上，同步方或工作只保留EU结构第五章中共处理昙（CPU丿ABUS奇体主存Memory0000H|0001 HlI0002H0003HFFFEFFFFH偶体寄存器组E-Bw w栈型机CPU的总体结构2、CPU内总线 flBUSJ双向单总线 IBUS重用单发送多接收三态门隔富出山出学加忆今将竹丫如沏第五章中央处理赛（CPU丿棋型机CPU的总体结构第五章中共处理昙(CPU丿3. CPU中寄存器役置(1)寄存春组3、CPU中寄存器段置寄存麥组IBUS-AX R 地址(AX)，WE W-B第五章中共处理昙（CPU丿3、CPU中寄存器设置第五章中央处理赛(C

3、PU丿(1) 書存段组 AIAIBUS : R地址（AL） , RE,R-IBUSR -IBUSAHBHALBLCHPHSPBPCL reWEwTDISIR地址3、CPU中寄存器设置(2丿总线暂存器RBL例：AXXRBL: R地址 CAXJ , RE,W-B, R-IBUS, IBUS-RBL出山出学加忆今将竹丫如沏第五章中央处理赛(CPU丿3、CPU中寄存器设置IBUS-RBLAIL BHAL BLCHCLDHDLSPBPDIR-IBUSWEW-BSI盲R地址C3J移住寄存器（SR丿将RBL中一个字内彖算术左移一住RBL-IBUS, IBUS-SR, SALC, WBSR-IBUS , IB

4、US-RBL第五章中共处理昙（CPU丿3、CPU中寄存器段置C4J IR （指令寄存器丿16伐，只存指令的前2个字节（前两个字节为操 作码和寻址方式丿。 IBUS-IR用于控制将IBUS上的指令打入IR。（5） PC（程序计数器丿 16住专用寄存器,具有自增功能。 一条指令结束前必须自动改吏成下地址。第五章中共处理昙（CPU丿PC-IBUSPC IBUS-PCPC+1 O-PCIRIBUS-IR3、CPU中寄存器段置MAR和MDRMAR:地址二 MAR 二AEUS MDR : R MDR DBUS M对主存的控制信号：MRD （读）,MWR （写丿W-B （字/字节丿(6) MAR和MDR从内

5、存取指到IR中o第五章中共处理昙(CPU丿PC-IBUS、IBUS-MAR MAR-ABUS, MRD, W-B , BUS-MDR, I-DBUSMDR-IBUS. IBUS-IR(7丿标志寄存器FR奇体主存Memory0000H I0001H |0002H 匚二0003HFFFEH. IFFFFFII偶体寄存器组E-Bw w4、ALU部件及控制部件 ALU部件基本运算：ADDC, SUBC, ANDC,ORC, XORC, NOTC, INC AC, DECAC 等例：BX+REL也AX所产生的控制信号为:R地址 CBXJ , RE, WB R-IBUS,IBUS-RA, RBL-IBUS

6、, IBUS-RB,ADDC, ALU-IBUS, R地址 CAXJ , WE, W-B控制部件CU时序控制方式K微操作与肘序信号之间釆取何种关糸。 同步控制方式I各项微操作由统一的对序信号进行同步控制。二.同步控制方式I的多级对序糸统 多级对序概念:ru指令周期：执行一条指令的对间。(2) 机春周期：CCPU工作周期丿把指令周期分成若干个子周期，每个子周期称为机森周期。(3) 节拍(对钟周朗丿:完成一步基本操作的对间段。(4) 对钟脉冲信号：对序糸统的基本良对信号。第五章中共处理昙（CPU丿节柏CLKT2nT2T3T1T2nT4T11取宿周期取数周期执行周期指令周期模型机设置五种工作周期：(

7、1J取指周期FI：取指译码(2) 目的周期DST：形成目的地址，获得目的操作教(3) 源周期SRC：形成源地址，获得源操作教C4J埶行周期EXC：运算、存结果/形成转移地址(5) 中断响应周期INT：进行中断处理周期状态触发器：5个触发器对应上面5种工作周期， 任对刻只有一个为1。三.对序糸统组合逻轉控制对序糸统的组成Fl DSTEXCT1 T2. Tn机春周期状态发生春4 4 44 t !CLK肘钟脉冲信号发生春节拍电住发生春诊动停止主振信号三.对序糸统做程序控制对序糸统的组成花动停止叨、指令糸统（一丿指令格式1、双操作数指令代码格式：长度16BOP(6) d wMOD REG R/M伐移量

8、低伐移量嘉立即数低立即数嘉指令目的操作数源操作数操作特征部分REGw=oW=1MOVREGR/M10 00 10 dw000ALAXMOVMImm11 00 01 lw001CLCXADDREGR/M00 00 00 dw010DLDXADDR/MImm10 00 00 OwOilBLBXANDR/MREG00 10 00 dw100AHSPANDR/MImm10 00 00 Ow101CHBPd=l,目的操作数由REG字段给出110DHSIw=l,字操作111BHDI第五章中共处理昙（CPU丿Vo1 DST SRC可采用立即寻址、R寻址、直接寻址、R间 址、变址/基址.基址变址寻址等。 DS

9、T不能采用立即寻址,其他同SRCo采用双操作数指令代码格式，长度为26字节。(2) PUSH SRC CSPJ -2=SP, (SRCJ = (SPJ SRC为R,为单字节指令 SRC为M,为2 4字节(3) POP DST (SP) =DST, CSPJ +2=SP DST为R,为单字节指令 DST为M,为2 4字节第五章中央处理赛（CPU丿2、算术运算类指令(1丿玖操作教： ADD/SUB DST , SRC寻址方式与指令代码格式、长度同MOV指令功能：CDST J OP CSRCJ nDSTC2J单操作教 INC/DEC DST 指令功能：OP CDSTJDST 寻址方式同MOV 采用单

10、操作教指令代码格式，长度24字节。3、逆辑运算类指令(1) 玖操作数： AND/OR /XOR DST , SRC寻址方式与指令代码格式、长度同MOV指令功能：CDST J OP CSRCJ nDSTC2J单操作教 NOT DST 指令功能：OP CDSTJDST 寻址方式同MOV 采用单操作教指令代码格式，长度24字节。第五章中央处理赛（CPU丿C3J移住指令 SAL/SAR/SHL/SHR/ROL/RORDST, 1指令功能：OP CDSTJ =DST1寻址方式同MOV采用单操作教指令代码格式4、控制转移类指令CU无条件转移指令JMP目标地址；功能：(IP丿+disp = IP JX(2)

11、 条件转移指令转移条件：XX成立：贝*1 (IP丿+disp=IP；否则：顺序执行包括JO、JS、J乙 JP、JC5、处理器控制类指令H LT停机指（三丿指令流程拟定指令流程通常有两种方式以工作周期为线索，拟定各类指令蛊本工作周 期操作流程一易于优化按指令类型分别拟定指令流程一易于理解第五章中共处理昙（CPU丿1、取指流程FIO PC=MARFI1 M =MDR =IR； PC+1 =PC2、 MOV指令流程 Cl) Fl同If第五章中共处理昙（CPU丿MOV指令微操作时间表:DSTO： PC+k IBUS-PC T+l(Rd)(CLK) lT0(Rd)(CLK) l-SRC(Rd)(CEK)

12、DST1： RE(R)、W-B (R) R-IBUS (R) PC-IBUS (KJ) BUS-MAR、T+1(R)(CLK) 1-TO(R)(CLK) 1-SRC(R)(CLK)DST2： MARABUS、MRD、W-B (W)、IDBUS、BUS-MDRMDR-IBUS、IBUS-MAR(D16) IBUS-RA(D16) PC+1IBUS-PC、T+1(CLK)(3 ) SRC:同DST类似SRC1SRC2SRC3SRC4SRC5SRC6SRC7EXCOSRCOEXCI例1拟岀MOV AX, 2130H的指令流程FI0PC 二MARFI1M二MDR二IR, PC+1 二PCDST0PC+

13、1 二PCSRC0MAR 二SRSRC1PC=MARSRC2M=MDR二RBL, PC+1 二PCSRC3SR 二MAR,PC+1 二PCEXCORBL 二AX第五章中共处理昙（CPU丿例2：拟出MOV 1234HDI, CL的指令流程与微操作对间叔FIO PC- MARFI1 M-MDR-IRPC+1-PC DSTO PC+1-PC DST1 PC -MARPCJBUSy IBUS-MAR, T+1(CLK)MAR-ABUS，MR W迟 I-DBUS, BUS-MDR, MDR-IBUS, IBUS-IRPC+1 .IBUS-PC, 1-TO(CLK), 1-DST(CLK)PC+1 JBU

14、S-PC, T+1(CLK) _PC-IBUS, IBUS-MAR, T+1(CLK)DST2DST3M-MDR-RA MAR-ABUS, MRD, W-3,卜DBUS, BUS-MDR, MDR-IBUS, IBUS-RAPC+1 -PCPC+1 JBUSg T+1(CLK)DI-RB RE, W-B.R-IBUS, IBUS-RB PC+1 -PC PC+1 .IBUS-PC, T+1(CUMAR ADDCALUIBUSJBUS-MAR,1-TO(CLK), 1-SRC(CLK)SRCO CL-RBL RE, iBR-IBUS, IBUS-RBL,l-TO(CLK)f 1-EXC(CLK)

15、_EXCO RBL-MDR RBL-IBUS. I-DBUS, BUS-MDR, T+1(CLK)EXCI MDR-M MDR-DBUS, MWR.1-TO(CLK), 1-FI(1-INT)(CLK)3.双操作教的算逻指令流程(3 ) SRC:同DST类似SRC1SRC2SRC3SRC7EXCOEXCISRCOSRC4SRC5SRC6EXC2MDR艸4.单操作数的算逆指令流程(1) FI同玖操作教的算逻指令；(2) DST与玖操作数的算逻指令流程基本一致，只是 取岀的目的操作数直接放衣.RA中，而不是SR中FIDSTEXCOEXC15.移住指令流程(1) FI和DST同双操作数的算送指令(2

16、) EXC如下DSTEXCO1x xSR= Rdr-Ix xSR=MDREXC1MDR MFIEXCOEXC1EXC2EXC3EXC4JMP JXM Rn?PCPR B1-1 +15 + 一 JXpc+lu pc第三节微程序控制部件的组成与段计设.计控制部件的两种方式组合送辑控制和微程序控制二程禺控制微操作控制信号R-IBUS IBUS-RAL微程序执行过程的描述一条指令对应的微程序的执行过程是:(1)开机加电或复住对，由硬件将|1PC设置为公共取犒微程序的第1条做指令所衣的微地址值；(2) 根据pPC的内家，将相应地址的微指令续入pIR中，诈码后 发岀微命令，在对序糸统配合下，产生相应的微操

17、作控制信 号，然后根据后继做地址的形成方式o修改J1PC的内彖，取 出后续微指令，直到完成一条机孝指令的取指工作；(3) 由IR中的標作码及微指令中指走的若千住微地址相拼搖，通 过做地址形成勉路，生成该条机孝滞令的做程序入d地址；(4) 根擁形成的微地址及后续微地址产生方或，将该条机孝指令 相对应的做程序全部执行完毕，卖现指令功能；(5) 区回心共取指微程序，取岀下一条机春指令，如此反复。2、基本概念和术语(1丿微命令与微操作微命令：最小单住的控制信号，如开/关控制门等微操作：由微命令控制卖现的基本操作第五章中共处理昙(CPU丿（2）微指令与微周期微指令：若干个微命令的组合，卖现可并行的操作微

18、命令字段（微操作控制字段丿：记录各微操作所对应的控制信号顺序控制字段（微地址字段丿：记录下一条将要执行的微指令地址彳故周期：从CM中篠取一条微指令幷埶行相应的微操作所需 的对间(3J相家性和相斥性微命令相家性微命令：蛊一个微周期可同对发出的微命令相斥性微命令：同个微周期不能同对发出的微命令(4J工作程序与微程序、主存储器与CM 工作程序：以机器指令为单住存放在主存中 微程序：以微指令为单住存放在CM中 不能互相取代第五章中央处理赛(CPU丿二、微指令结构役计k微命令字段的设计fb直接控制编码（不译码法丿不译码：每一住代表一个微命令，1有效优缺点： 控制简单、速度快、并行性好长度长(2)字段直接

19、编译法把相斥性微命令组合在同一字段中，采用编码方式存取。把相家性微命令组合在不同字段中，各段单独译码。入Y)微命令字段顺序控制字段微指令(3) 字段间接编译法第1类微命令第2类微命令译码译码译码字段1字段2字段n顺序控制字段 |H PC,由|H PC提供后继微地址口无条件转移：第五章中共处理昙(CPU丿(2)靳定测试转移方式微命令字段测试字段下地址字段微程序顺序执行对：由下地址学段直接提供后继微地址口微程序有分支对：由测洪学段给出应测试的状态，根煽测试的状 态标志住产生相应的后继微地址三、微指令格式1、水平型微指令一条微指令中并行定义多个微命令，并且蛊数据通路 中能够并行执行多种微操作的微指令

20、格式。一般采用 直接控制编码、字段直接编码及字段间接编码。并行性當，长度长2、垂直型微指令类似于机器指令操作码的设计方式，对微操作码 字段进行编码，并行能力低第五章中央处理赛(CPU丿四、微程序设计1、模型机微指令结构320SfOIBSrsrwSrselSrbiSb TORTOMDR%DRDBSmaRABSaluSHIFTSpcSiShaltS hk3b2blb2b3b3b2blblb3b3b2b2blb4b(2 ) Srsrw :寄存器组读写控制字段(3)Swb：字字节选择控制字段(4 ) Srsel ： R地址来源选择控制字段(5 ) Srbi :形成寄存器间接寻址Rh变址寻址DR及基址变

21、址寻址DRbRi 等寻址方式中的寄存器地址的控制字段(6 ) Sibtor :接收CPU内总线IBUS上的数据的控制字段(7 ) ST0MDR : MDR接收数据控制字段StoibSrsrivS“bSrselSrbiSb TORStomdrSmdrdbSlMARABSaluSHIFTSpcSmShaltS hk3b2blb2b3b3b2blblb3b3b2b2blb4b320(8 ) Smdrdb : MDR内容输出到数据总线DBUS的控制字段(9 ):MAR内容输出到地址总线ABUS的控制字段 (10 ) SALU : ALU算术逻辑运算控制字段() Sshift :移位控制字段(12 )

22、Spc : PC加-清0控制字段(13)Sm:存储器读写控制字段(14 ) Shalt :停机控制字段(15 ) S“c :后继微地址(C内容)形成控制字段2、微程序编制320StoibSrsrwSw-8SrselSrbiSib torStomdrSmdrdbSCARABSaluS SHIFTSrcSmShaltS ppc3b2blb2b3b3b2blblb3b3b2b2blb4b微地址FFDH101000000001110000000000000010000FFEH110001000001101001000000010110000FFFH000000000000000000000000000010010第五章中共处理昙（CPU丿第