中央处理器cpu

1、中央处理器cpu本章内容是全书最抽象的、最难、最重要的内容，同时也是考卷的重点之一。2009年第一次全国统考本章直接分值21分；2010年第二次全国统考本章直接分值 6分， 间接分值11分，足以说明本章的重要性。内容要求模型机概念*指令的执行过程*控制器的功能和工作原理*微程序控制器原理及概念*cpu勺功能和基本结构* * * *数据通路的功能和基本结 构* * * *cpu的控制方式* * *时序产生器* *指令流水线* *知识结构控制器psw中央处理器，即cpu，是计算机中最重要也是最复杂的部件。学习本章内容，应 熟练掌握cpu的功能和基本结构以及工作原理。具体包括指令的执行过程、数据通路

2、 的功能和基本结构、控制器的功能和工作原理 （硬布线控制器、微程序控制器）。特别是 在微程序控制器考点中，要掌握微程序、微指令和微命令，微指令的编码方式，以及微 地址的形式方式等。中央处理器（cpu）是计算机工作的指挥和控制中心。因此，掌握控制器的工作过 程也就掌握了计算机的全部工作过程。 要求在熟练掌握计算机指令系统的基础上， 深入 理解cpu的组成原理、基本功能和控制方式。中央处理器是计算机组成原理课程的重点和难点章节，也是研究生入学考试必 考的章节。一重要概念1. 时钟周期：主频的倒数。2. 机器周期/cpu周期：完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期， 又称cpu 周期。在计算机中，

3、常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完 成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，每一项工作称为一个基 本操作。一个机器周期包含若干个时钟周期。机器周期可以定长，也可以不定长。为方便起见，一般教材选择定长机器周期。3. 指令周期：执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期也不同。 任何指令周期的第一个 机器周期都是取指周期。4. 操作码：规定指令完成的操作，编码长度可以选择定长操作码或扩展操作码， 详细内容参见指令系统章节。5. 寻址方式：寻找操作数或指令的方式， 详细内容参见指令系统章节。6. 微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种

4、控制命令7. 微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。8. 微指令：微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令，由操作控制字段和顺序控制字段组成。9. 微指令周期：从读微指令开始到执行完该条微指令所需要的时间。一般为确保同步，微指令周期和cpu周期相等。10. 微程序：将一条机器指令编写成一段微程序。每一个微程序包含若干条微指令，每一条微指令对应一个或多个微操作。 cpu内部有一个控制 存储器,用于存放各种机器指令对应的微程序段。当cpu执行机器指令时，在控制存储器里寻找与该机器指令对应的微程序，取出相应的微指令即可控制执行各个微操作，从而完成指令的功能。11

5、控制存储器：存放全部指令系统对应的所有微程序，是一种只读型存储器。一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。工作过程是：每读出一条微指令，则执行这条微指令；接着读出下一条微指令，又执 行这一条微指令等等。控制存储器的字长是微指令字的长度，其 存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。二cpu组成“冯诺依曼结构”的特点是数据信息和控制信息在机器内部以二进制形式表 示，并按序依次存放在存储器中，执行时再依次取出送往控制器进行分析。 根据该结构 准则，计算机分成运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件。随着集成 电路技术的发展，其中的运算器、控制器合为一个芯片，称为cpucpu中运算器

6、的组成见运算器及运算方法章节。控制器由程序计数器（p。、指令寄存器（ir）、指令译码器（id）、时序产生器和操作控制器等组成，主要负责协调 和指挥整个计算机系统的工作，控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。 控制器的 主要寄存器有：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、数据缓冲寄存器 （dr）、地址缓 冲寄存器（ar）。各寄存器功能如下：程序计数器（pc：存放下一条将要执行的指令地址的部件。执行指令时，cpu自动修改pc的内容，以便使其总是保持将要执行的下一条指令的地址。指令寄存器（ir）:保存当前正在执行的指令。当执行一条指令时，先把它从主 存储器取到数据缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器

7、，以备指令译码。指令译码器（id）:对指令寄存器中的指令操作码字段进行分析，按序向操作控制器发出该指令所含所有操作信号。数据缓冲寄存器（dr/mdr）保存内存读来的数据或将要写到内存的数据。由于 在内存和cpu之间存在着操作速度上的差别，必须使用数据缓冲寄存器来保持 数据信息，直到内存的读/写操作完成为止。若将外围设备像内存单元一样看 待，则当cpu和外围设备交换信息时也使用数据缓冲寄存器保存cpu和外设之间交换的数据。地址缓冲寄存器（ar/mar）保存当前cpc所访问的内存单元的地址。由于在内 存和cpu之间存在着操作速度上的差别，必须使用地址缓冲寄存器来保持地址 信息，直到内存的读/写操作

8、完成为止。 若将外围设备地址像内存单元地址一 样看待，则当cpu和外围设备交换信息时也使用地址缓冲寄存器保存外设的地 址信息。三cpu功能cpu乍为计算机中最重要的部件，需要完成控制和运算功能，具体如下：取指令：cpu具有的控制功能之一，任何指令周期的第一个机器周期都要执行取指操作，将指令从内存取入 cpu内的指令寄存器ir中，即任何指令周 期的第一个机器周期都是取指周期。指令译码：主要对指令寄存器ir中的操作码进行译码，以区别不同的 指令，也有可能需要对指令所包含的各操作数的寻址方式进行译码，以确定操作数的存放位置。控制指令执行：按序发出指令所含控制信号，控制相应部件完成指令规 定的操作。控

9、制程序和数据的输入与结果输出：对外设进行控制，以完成人机交互。 处理异常情况和请求：为确保计算机工作的正常进行，cpu勺控制器必 须能够处理随时可能发生的各种意外以及外设提出的各种请求。完成算术运算和逻辑运算：cpu勺运算器应该完成最基本的两类运算算 术运算和逻辑运算，并能对结果进行必要的分析。cpu功能也可概述为：指令控制（程序）操作控制（微操作）时间控制（时序） 数据加工（运算）四模型机概念学习本章内容，必须深入理解 cpu模型机的概念。所有的指令周期都依赖于某确 定的cpu模型机，模型机改变则指令周期也随之而变。下图是本章参考的模型机。1sj1i-20cij21w%）22sta1 310

10、30o0q006310000401liim023盟据总汀i郦其中，存储器存放将要执行的指令序列。执行时将要执行的第一条指令的内存地址送入程序计数器pc,经过一个机器周期（取指周期）后，对应指令应能进入指令寄存 器ir，同时pc的值增1,指向下一条将要执行的指令。指令译码器的译码结果经操作 控制器将按序生成指令所含控制信号。一条指令执行完后自动开始下一条指令的取指、 译码和执行，周而复始，直至程序结束。五指令周期计算机中指令和数据都以二进制代码的形式存放在内存里， 很难区分出这些代码是 指令还是数据，然而cpu却能够识别这些二进制代码：cpu根据所处的周期能准确迅 速地判别出哪些是指令字，哪些是

11、数据字，并且将它们送往相应的地方。指令周期就是cpu从取出一条指令、分析指令并执行这条指令所花费的时间。指 令周期常常用若干个cpu周期数来表示，其中第一个cpu周期用来取指令，称为取指 周期。下面为一段包含几条指令的小程序，一下内容将对这些指令的指令周期进行详细分析，并以此为基础介绍控制器原理八进制地址八进制内容指令助记符020250 000cla021030 000add 30022021 031sta i 31023140 021jmp 21024000 000hlt030000 006031000 040040存和单元说明：1、cla指令：累加器清零指令，是一条非访冋内存指令。2、ad

12、d指令：将累加器的内容和指令提供的直接寻址对应的单元内容求和， 结果送入累加器，是一条直接访问内存指令；3、sta指令：将累加器中的内容存入内存单元，内存单元的地址有指令以间 接方式提供，是一条间接访问内存指令；4、jmp指令：转移控制指令，将pc的值修改为指令提供的直接地址。 下面通过上节cpu模型机执行这一程序，通过每条指令执行过程的分解动作具体 了解每条指令的指令周期。1、 cla指令(1)取指周期：第一个cpu周期,即取指令阶段，cpu主要完成如下三项工/ 丿frwiss20口丄zijws7a23jwp71；3000000631uduij4u1uodu灯术逻橫申冗或拥总怨neifb71

13、oaawf* j'c it>'i ftj的捋yrshjw植廿 utetsimlj壮常寄侖抚odd地址松找a0us作：从内存取出指令并送入指令寄存器ir对程序计数器pc的值加1，为取下一条指令做好准备 对指令操作码进行译码，识别并确定该指令要完成的操作hln肘忡kb jil &并站地址总.汝ahlsrrijif/cla21*】lkhl曲甘总1"流程如下(参见上图)：将cla所在的内存地址20送入程序计数器pcpc内容送入地址缓冲寄存器ar读内存：经过一个存储周期后，20单元的内容，即指令cla的机器码 取入数据缓冲寄存器drdr内容送ir指令译码器对ir中

14、的操作码cla进行译码pc内容加1(2)执行周期控制器送一个控制信号给alu oalu将累加器ac的内容清零。执行结果见下图c(!uc(!uw lr.m 'lj.l d界至此，第一条指令执行结束，接着取第二条指令。2、add指令（1）取指周期：第一个cpu周期，即取指令阶段，cpu主要完成如下三项工 作：从内存取出指令并送入指令寄存器ir对程序计数器pc的值加1，为取下一条指令做好准备 对指令操作码进行译码，识别并确定该指令要完成的操作流程类似cla指令，效果如下图所示：zjajij-;->-kftjkll. -fmhd30sja1 3123jmf210000m i引00004d

15、4g«xjglhuhtl- ttjj fiift 耳序刃g酋jkit hi'- - : r；h11 rvm'：' 时产7 a/xlv1咖3(1p/砒3upn融据总线【和jsltji：20gpi-mm)j'£251a1 31网:sooochk31000(hdid(jooozamhi.jhi垃据強找hrushktd池级购凸n地址血曲ladr。地til总找人h13(2) 读操作数周期。送直接地址 30入ar，读内存，结果送dr 根据指令译码的结果，30为直接地址，读30单元内容送数据缓冲寄存器 效果如下图所示：(3)计算周期。求和，结果送累加器。效

16、果如下图所示:1!戒遷斜|卩人沖总鐵船胳fiift也h舶爭乳测nvw zu留整寄ifr抚妙il鳞3、 sta指令（1）取指周期：第一个cpu周期，即取指令阶段，cpu主要完成如下三项工作：从内存取出指令并送入指令寄存器ir对程序计数器pc的值加1，为取下一条指令做好准备 对指令操作码进行译码，识别并确定该指令要完成的操作流程类似cla指令，效果如下图所示:«miw茲孫息翌etuisft命世札fgsta i3i扌kh1pw¥制31i11ooo 応 jtdi si脚jutjjmwrs(2)送间接地址周期。从ir中送间接地址30入地址缓冲寄存器arm j#oho ddtisthj

17、 iiji ftodd 23 ji, 初doo/(3)读内存取直接地址周期。以地址缓冲寄存器ar的内容为地址读内存,根据指令译码的结果， 下图所示：31为直接地址，将31送地址缓冲寄存器ar。效果如结果送ar歸术j對屮朮z/m曲cla21armjd225 口1 512sjv11 £10wwfj31cdv04u犯0(10肿 <10631?t也埔总注;v1u5加忙丨盼:.雎址箸杯踊z理低控溜£tn 11(3) 写内存周期。以地址缓冲寄存器 ar的内容为地址，dr内容为数据,写内存。效果如下图所示:cpu主要完成如下操作：累加器内容06送dr以ar内容为农村地址，dr内容为

18、数据写内存 执行结果为06写入内存40单元。澤肃湮戟申兀n31himu包找>hlsmid rh h 歸阳序il&tt=3lcljikf'；lmhjjir 4<v«¥st軋£fy-jfcfal囲qari胡松hjjsta i 31:爼粗£n.|ir 3i0u004d1gou0 006mt爭3pi-l/l-j5«ktft4、 jmp指令（1）取指周期：第一个cpu周期，即取指令阶段，cpu主要完成如下三项工作：从内存取出指令并送入指令寄存器ir对程序计数器pc的值加1，为取下一条指令做好准备 对指令操作码进行译码，识别并确

19、定该指令要完成的操作流程类似cla指令，效果如下图所示:z/20zisih41)23m 2l:亦(mm! cmmi31odd d4qki4xju uu&o osouhsww 雌 5« > v.ie网序产q kez3故挥总规l?rhsrtu : i i?(2)转移周期：ir的地址部分送pc实现程序的转移，效果如下图所示:tirkon【小 1u*u kt ah m boa04v六cpu控制方式cpu控制方式指形成控制不同操作序列的时序信号的方法。常用的控制方式有三 种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。同步控制方式：指系统有一个统一的时钟，所有的控制信号均来自这个统

20、一的 时钟信号。亦称为固定时序控制方式，其基本思想是选取部件中最长的操作时 间作为统一的时间间隔标准，使所有的部件都在这个时间间隔内启动并完成操 作。通常采用同步时序发生器，产生固定的周而复始的机器周期电位、节拍脉 冲，用统一的时序信号，定时各种操作，实现同步控制。优点是时序关系比较 简单，控制器设计方便。但对简单的指令会产生空闲时间，降低了指令的执行 速度。异步控制方式：每条指令，每个微操作需要多少时间就占用多少时间，其特点 是：当控制器发出执行某一微操作控制信号后， 等待执行部件完成此操作后发 回的回答”或 结束”信号，再开始新的微操作。用这种方式所形成的微操作序 列没有固定的周期节拍和严

21、格的时钟同步。异步控制方式采用不同时序，没有 时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。由于这种控制方 式没有统一的时钟，而是由各功能部件本身产生各自的时序信号进行自我控 制，故又称为分散控制方式或局部控制方式。联合控制方式：是同步控制和异步控制相结合的方式。现代计算机中几乎没有 完全采用同步或异步的控制方式， 多数是采用联合控制方式。通常的设计思想 是在功能部件内部采用同步方式或以同步方式为主的控制方式，在功能部件之间采用异步方式。作为一种折中的控制方式，对大多数需要节拍数相近的指令， 用相同的节拍数来完成，即采用同步控制；而对少数需要节拍数多的指令或节 拍数不固定的指令，给予必

22、要的延长，即采用异步控制。在这种控制方式中，cpu内部基本时序采用同步方式，当 cpu通过总线与主存或其它i/o设备交 换数据时，就转入异步方式。cpu只须给出启动信号，主存和i/o设备按自己 的时序信号去安排操作，一旦操作结束，则向 cpu发送结束信号，以便cpu 再安排它的后继工作。cpu并不是在任何时刻立即对来自主存和i/o接口的请 求信号做出反应，而是在一个节拍周期的结束 （下一个节拍周期的开始）对请求 信号做处理。也就是说，当 cpu进行主存的读写操作或进行i/o设备的数据 传送时，是按同步方式插入一个节拍或几个节拍，直到主存或 i/o设备的结束 信号到达为止。联合控制方式是 cpu

23、进行主存的读写操作和i/o数据传送操 作时通常采用的方式，较好地解决了同步与异步的衔接问题。七微程序控制器微程序设计技术是利用软件方法来设计硬件的一门技术。基本思想是把指令对应的 操作控制信号编成微指令组成的微程序，并把所有指令对应的微程序全部存放到一个只 读存储器里。机器运行时，依次读出指令对应微程序的所有微指令， 从而产生所需的各 种操作控制信号，使相应部件执行规定的操作。采用微程序控制方式的控制器称为微程序控制器。所谓微程序控制方式是指微命令 不是由组合逻辑电路产生的，而是由微指令译码产生。一条机器指令往往分成几步执行，将每一步操作所需的若干控制信号以代码形式编写到一条微指令中，若干条微

24、指令组成一段微程序，对应一条机器指令。在设计 cpu时，根据指令系统的需要，事先编制好 所有指令对应的微程序，并将它们存入一个专用存储器（称为控制存储器）中。微程序 控制器由指令寄存器ir、程序计数器pc、程序状态字寄存器 psw、时序系统、控制 存储器cm、微指令寄存器以及微地址形成电路、微地址寄存器等部件组成。执行指令 时，从控制存储器中找到相应的微程序， 逐条取出微指令，送入微指令寄存器，译码后 产生所需微命令，控制各步操作，最终完成指令功能。有关微程序的基本概念如下所示：相容性微操作：同时或同一个 cpu周期内可以并行执行的微操作。相斥性微操作：不能同时或在同一个 cpu周期内并行执行

25、的微操作。 微地址：微指令在控制存储器中的地址。微地址寄存器：微程序控制器中存放微指令微地址字段的寄存器。微命令寄存器：微程序控制器中存放的寄存器。水平型微指令：一次定义并执行多个并行微命令的微指令。垂直型微指令：仅包含一个或少数微命令的微指令。直接控制法：微指令控制字段的一种编码方法， 特点是每个微命令占一位。 字段编译法：微指令控制字段的一种编码方法，特点是每组相斥的n个微命令采用编码法表示，占log2n+1位。混合编码法：相斥微命令采用字段编译法，相容微命令采用直接控制法。微程序控制器原理框图如下：其中ir中的操作码字段0p经译码产生转移地址，该地址送往微地址寄存器, 经译码产生控制存储

26、器中相应微程序的第一条微指令地址。取出该地址中的微指令后，将其中的微地址字段送往微地址寄存器继续取下一条微指令，控制字段送微命令寄存器，进行条件判断和控制。八硬布线控制器是早期设计计算机的一种方法。是将控制部件做成产生专门固定时序控制信号的 逻辑电路，产生各种控制信号，因而又称为组合逻辑控制器。这种逻辑电路以使用最少 元件和取得最高操作速度为设计目标，因为该逻辑电路由门电路和触发器构成的复杂树 型网络，所以称为硬布线控制器。例题例1(2009年全国计算机学科联考专业基础综合卷第 44题，13分)：某计算机的字长16位，采用16位定长指令字结构，部分数据通路结构如下图所示，图中所有控制信号为1时

27、表示有效，为0时表示无效，例如控制信号 mdrine为1表示允许数据从db 打入mdr，mdrin为1表示允许数据从内总线打入 mdr。假设mar的输出一直处 于使能状态。加法指令“ add (r1),r0”的功能为r0 +(r1)(r1),即将r0中的数据与r1的内容所指主存单元的数据相加，并将结果送入r1的内容所指主存单元中保存。下表给出了上述指令取指和译码阶段每个节拍 （时钟周期）的功能和有效控制信号, 请按表中描述方式用表格列出指令执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。时钟功能有效控制信号c1mar (pc)pcout, marinc2mdr m(mar)pc (pc)+1memr,

28、mdri nepc+1c3ir (mdr)mdrout, irinc4指令译码无解：本题主要考查模型机、数据通路、微命令、指令周期、寻址方式等概念，属于典型 的重点难点内容，评卷结果反映出考生普遍对该题考查点掌握较差。理解本题的关键是深入掌握基本概念的含义。本题加法指令“ add（r1）,r0 ”中r1为寄存器间接寻址，其 内容为内存地址，r0为寄存器直接寻址，其内容为操作数据。由数据通路可知，完成 该加法操作，需要先将 r1间接寻址的数据从内存读到 cpu的mdf中或运算器的a 中, 然后和r0中的数据求和，再将结果写入 r1间接寻址的内存单元。具体为：时钟功能有效控制信号c5mar (r1

29、)r1out, marinc6mdr m(mar)a r0memr, mdri ner0out, ainc7ac (mdr)+ ( a)mdrout, add,acinc8mdr (ac)acout, mdrinc9m(mar) (mdr)mdroute, memw每时钟周期2分，顺序3分，有错误酌情扣分。2、设某计算机有8条微指令ii is，每条微指令所包含的微命令控制信号见下表，其 中aj分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段仅限8位, 请安排微指令的控制字段格式。abdeihjj1 b blu bitv777v7v7v7v777777v7v解：为了压缩指令字的长度，必须设法把一个微指令周期中的互斥性微命令信号组合在 一个小组中，进行分组译码。经分析，（e ,f ,h ）和（b, i, j ）可