基本组成与概念

1、 第三章第三章 CPU子系统子系统本章主要讨论本章主要讨论:运算器运算器 控制器控制器数据通路结构数据通路结构与外部的连接与外部的连接指令的执行过程指令的执行过程CPU组成组成CPU工作原理工作原理第一节第一节 CPU概论概论CPU的基本功能的基本功能: l l 数据加工数据加工: l l 时间控制时间控制: l l 操作控制操作控制: l l 指令控制指令控制: 程序的顺序控制程序的顺序控制, 称为指令控制。称为指令控制。 产生每条指令的操作信号产生每条指令的操作信号, 并将各并将各种操作信号送往相应的部件种操作信号送往相应的部件, 控制控制这些部件按指令的要求进行动作。这些部件按指令的要求

2、进行动作。 对各种操作实施时间上的定时对各种操作实施时间上的定时, 称称为时间控制。为时间控制。 所谓数据加工所谓数据加工, 就是对数据进行就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。算术运算和逻辑运算处理。 3.1 CPU的基本组成的基本组成 传统传统CPU的组成的组成: 现代的现代的CPU的基本部分有的基本部分有:运算部件运算部件 Cache 控制器控制器运算部件运算部件 控制器控制器 (在诺曼机的定义中在诺曼机的定义中) 1、运算部件、运算部件l l 应能完成数据输入应能完成数据输入(参与运算的数据参与运算的数据)l l 应能对输入的数据进行运算应能对输入的数据进行运算(或加工或加工)l l

3、应能输出运算应能输出运算(或加工或加工)后的结果后的结果因此运算器有以下构成因此运算器有以下构成: 输出逻辑输出逻辑ALU输入逻辑输入逻辑操作数操作数输入逻辑输入逻辑操作数操作数运算结果运算结果(1) 输入逻辑输入逻辑 选择器或暂存器选择器或暂存器(2) 算术逻运算部件算术逻运算部件 设置一个设置一个ALU, 完成基本的加完成基本的加减运算减运算, 复杂运算由软件完成复杂运算由软件完成; 设置一个设置一个ALU, 与相应时序电路与相应时序电路配合配合, 硬件完成定点乘除法运算硬件完成定点乘除法运算; 设置一个设置一个ALU, 但将乘除但将乘除法和浮点运算部件作为法和浮点运算部件作为ALU的基本

4、配置的基本配置; 配置多个运算部件配置多个运算部件(3) 输出逻辑输出逻辑 通常完成通常完成: 直送、左右移位、字节交换等功能。直送、左右移位、字节交换等功能。2、寄存器组、寄存器组CPU内部需要若干寄存器来存放需要加工、内部需要若干寄存器来存放需要加工、运算的数据、中间结果、最终结果等。运算的数据、中间结果、最终结果等。(1) 寄存器的两种基本组成寄存器的两种基本组成 独立结构寄存器独立结构寄存器由若干单独的寄存器构成由若干单独的寄存器构成 小型小型RAM每一个单元作为一个寄存器使用每一个单元作为一个寄存器使用.(2) 寄存器的分类寄存器的分类按寄存器存放的信息的类型按寄存器存放的信息的类型

5、(或使用的方式或使用的方式)进进行分类行分类(七类七类): 通用寄存器通用寄存器 一般是指可以通过程序访问的、具有多种用一般是指可以通过程序访问的、具有多种用途的寄存器途的寄存器, 每一个通用寄存器有编号与之对应。每一个通用寄存器有编号与之对应。 作用如作用如: 存放数据存放数据(原始数据、中间结果、最原始数据、中间结果、最终结果等终结果等), 也可以存放地址进行间接寻址、变也可以存放地址进行间接寻址、变址寻址等。址寻址等。 标识方法标识方法: 不同的不同的CPU可能各不相同。可能各不相同。 如如: Intel8086的的 AX、BX、CX、DX、DI等等 PDP-11小型机的小型机的 R0、

6、R1 、 R2等等 暂存器暂存器 暂存器不能通过程序访问暂存器不能通过程序访问, 也没有编号。也没有编号。 主要作用是存放指令执行过程中的中间信息。主要作用是存放指令执行过程中的中间信息。 比如比如: l l 从一个主存单元读数据存到另一个单元从一个主存单元读数据存到另一个单元, 则则有以下过程有以下过程 单元单元暂存器暂存器单元单元; l l 为运算器两个输入端提供数据为运算器两个输入端提供数据, 分两次将操分两次将操作数送往两个不同的暂存器。作数送往两个不同的暂存器。 指令寄存器指令寄存器 (IR) 存放从存贮单元中读出的指令。存放从存贮单元中读出的指令。 一个指令寄存器存放一条指令一个指

7、令寄存器存放一条指令, 也可以设置一也可以设置一个指令队列个指令队列, 存放多条指令存放多条指令 程序计数器程序计数器 (PC、IC、IP) 用于跟踪程序的地址。用于跟踪程序的地址。 PC的初值为所要执行的程序的首地址。的初值为所要执行的程序的首地址。 如果一条指令占据如果一条指令占据1个单元个单元, 则一条指令被读出则一条指令被读出以后以后, 则进行则进行: PC+1 PC操作操作 ; 如果一条指令占据如果一条指令占据2个单元个单元, 则一条指令被读出则一条指令被读出以后以后, 则进行则进行: PC+2 PC操作操作; 依次类推。依次类推。 程序状态字寄存器程序状态字寄存器(PSW) 用于记

8、录程序指令过程中运行的状态和程序的用于记录程序指令过程中运行的状态和程序的工具方式。主要由以下两个部分构成工具方式。主要由以下两个部分构成: l l 特征位特征位 进位位进位位C: 指令执行后指令执行后, 如果结果产生进位如果结果产生进位, 则将则将C置为置为1, 否则置否则置0; 溢出位溢出位V: 如果运算结果产生溢出如果运算结果产生溢出, 则将则将V置为置为1, 否则置否则置0; 零标志零标志Z: 如果运算结果为如果运算结果为0, 则将则将Z置为置为1, 否则否则置置0; 正负标志正负标志N: 如果运算结果为负如果运算结果为负, 则将则将N置为置为1, 否则置否则置0; 奇偶标志奇偶标志P

9、: 如果运算结果中如果运算结果中1的个数为奇数的个数为奇数, 将将P置为置为1, 否则置否则置0; (Intel8086的规定与此相反的规定与此相反)以上标志位的状态是由指令执行的结果决定的。以上标志位的状态是由指令执行的结果决定的。PSW的另一部分状态的设置是由编程来决定的另一部分状态的设置是由编程来决定, 其其典型的设置有典型的设置有: 跟踪位跟踪位T: 称为断点标志称为断点标志, 主要用于程序调试。主要用于程序调试。 如果编程时如果编程时, 将将T置为置为1, 且在程序中安排一条测且在程序中安排一条测试指令试指令, 当程序执行到该测试指令时当程序执行到该测试指令时, 程序将转程序将转入测

10、试程序。入测试程序。 单步标志单步标志 TF 将单步标志置将单步标志置1, 则程序每执行一条指令则程序每执行一条指令, 就产就产生一次内部中断。其功能主要用于程序调试。生一次内部中断。其功能主要用于程序调试。 中断允许标志或程序优先级字段中断允许标志或程序优先级字段: 中断允许标志中断允许标志I(或或TI): 根据当前运行程序根据当前运行程序与外部中断的紧要程度与外部中断的紧要程度, 处理器通过对该标处理器通过对该标志的设置志的设置, 决定是否响应中断请求。决定是否响应中断请求。 为每一程序和中断请求设置优先级为每一程序和中断请求设置优先级, 仅当中仅当中断请求的优先级高于正在执行的程序的优断

11、请求的优先级高于正在执行的程序的优先级先级, 才响应中断请求。才响应中断请求。(在微型计算机中在微型计算机中, 一般采用前一种方式一般采用前一种方式) 地址寄存器地址寄存器 MAR CPU访问存储器和访问访问存储器和访问I/O端口的地址首先存端口的地址首先存入入MAR, 再有再有MAR送往外部地址总线。送往外部地址总线。 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 MBR (或或MDR) 用于暂存用于暂存CPU与存储器和外与存储器和外设之间通信的数据。设之间通信的数据。可以看出可以看出, MAR、MBR是是CPU联系存储器联系存储器和外设之间的桥梁和外设之间的桥梁, 如下图所示如下图所示:CPUMARMBR

12、存储器存储器I/O接口接口和设备和设备3、微命令产生部件、微命令产生部件“第一章第一章 概论概论”中的描述中的描述: 计算机工作过程计算机工作过程: 信息以电信号形式的流动信息以电信号形式的流动 流动过程是受控的流动过程是受控的 受控的表现是受控的表现是: 流动方向流动方向 流动时机流动时机 流动时间流动时间 控制过程的实现控制过程的实现: 电子开关器件电子开关器件这从指令执行的角度这从指令执行的角度, 指令执行过程指令执行过程: 取指阶段取指阶段(取指取指)指令分析阶段指令分析阶段(译码译码)指令执行阶段指令执行阶段(执行执行)程序下一条指令程序下一条指令(可包含取操作数、运算、可包含取操作

13、数、运算、存结果、设置标志位等存结果、设置标志位等)l l 每一步操作都需要相应控制信号每一步操作都需要相应控制信号, 也需要相也需要相应的时序信号来控制操作的时间应的时序信号来控制操作的时间;l l 上述的控制信号上述的控制信号(命令命令)即称为微命令即称为微命令;l l 因此因此需要有需要有控制逻辑电路控制逻辑电路和时序电路来产和时序电路来产生微命令和时序信号生微命令和时序信号;l l 该该控制逻辑电路和时序电路即为控制器的控制逻辑电路和时序电路即为控制器的核心。核心。程序计数器程序计数器 指令寄存器指令寄存器时序产生器时序产生器操作控制器操作控制器指令译码器指令译码器 根据以上描述根据以

14、上描述, 控制器应由以下部件构成控制器应由以下部件构成:跟踪指令地址跟踪指令地址, 取指令控制取指令控制存放取出的指令存放取出的指令识别指令功能识别指令功能产生微操作信号序列产生微操作信号序列, 控制信息的流动过程控制信息的流动过程控制器的构成框图控制器的构成框图: 微操作信号序列形成部件微操作信号序列形成部件.微操作命令微操作命令时序信号及控制时序信号及控制指令译码器指令译码器启停控制启停控制指令寄存器指令寄存器脉冲源脉冲源程序计数器程序计数器总线控制逻辑总线控制逻辑.总线输出总线输出自自运运算算器器自自存存储储器器自自外外设设4、时序系统、时序系统l l 功能功能: 控制操作时间和操作时刻

15、。控制操作时间和操作时刻。时序信号时序信号是产生微命令的依据之一。是产生微命令的依据之一。l l 时序时序: 即时间控制电路即时间控制电路, 也称为时序系统。也称为时序系统。功能完成的时间、时刻的控制功能完成的时间、时刻的控制l l 时钟振荡器提供基本的时序源时钟振荡器提供基本的时序源如下图所示如下图所示:振荡器振荡器时钟脉冲时钟脉冲工作脉冲工作脉冲时钟周期时钟周期(节拍节拍)产生电位型微命令产生电位型微命令, 控控制操作时间段制操作时间段(时间控制时间控制)产生脉冲型微命令，控产生脉冲型微命令，控制定时操作制定时操作(时机控制时机控制)分频器分频器启停控制逻启停控制逻辑辑( (产生稳定产生稳

16、定脉冲脉冲, ,生成生成RESET信号信号) )取指令取指令指令译码指令译码执行执行一个节拍一个节拍T1 T2T4T3执行阶段的执行阶段的时间长度时间长度.操作的时机操作的时机时序控制例时序控制例:5、CPU内部的数据通路的结构内部的数据通路的结构 CPU内部由许多部件构成内部由许多部件构成, 如运算器、微命令发如运算器、微命令发生器、各种寄存器、时序控制逻辑等。生器、各种寄存器、时序控制逻辑等。就数据信息的传送就数据信息的传送, 需要为数据的传送提供传送需要为数据的传送提供传送的通路的通路(即通信线路即通信线路)。完成如完成如: 寄存器中的数据怎样送往寄存器中的数据怎样送往ALU; ALU的

17、结果怎样送往寄存器的结果怎样送往寄存器; 寄存器之间的数据怎样传送等功能。寄存器之间的数据怎样传送等功能。不同功能、性能的处理器不同功能、性能的处理器, 其数据通路是不同的。其数据通路是不同的。问题问题: 如何设计数据通路？如何设计数据通路？典型的数据通路结构典型的数据通路结构:l l 单总线通路单总线通路 设置一组数据通信总线设置一组数据通信总线, 数据传送均通过数据传送均通过该总线进行该总线进行; 结构简单、但不能实现多组数据并发结构简单、但不能实现多组数据并发;l l 多总线通路多总线通路 设置多组数据通信总线设置多组数据通信总线, 可实现不同数据可实现不同数据在不同的通路上传送在不同的

18、通路上传送; 结构复杂、但能实现多组数据并行传送结构复杂、但能实现多组数据并行传送;不同结构即是在不同结构即是在复杂性复杂性与与性能性能之间的选择。之间的选择。(1) 单组内总线、分立的寄存器结构单组内总线、分立的寄存器结构主要特点主要特点: l l 各寄存器有自己独立的输入口各寄存器有自己独立的输入口和输出口和输出口; l l 数据总线为单向数据总线为单向, 运算器运算器ALU只只能通过移位器向总线发送数据能通过移位器向总线发送数据, 而不能直接从总线接收数据而不能直接从总线接收数据; l l 寄存器可接收总线上的数据寄存器可接收总线上的数据, 但但不能直接向总线发送数据不能直接向总线发送数

19、据; 移位器移位器ALU选择器选择器AR0 . Rn选择器选择器BR0 . Rn R0 R1 Rn. l l ALU通过选择器接通过选择器接收寄存器的数据。收寄存器的数据。 根据上述特点根据上述特点, 以下数据传送功能的完成以下数据传送功能的完成: 寄存器寄存器 运算器运算器 寄存器寄存器 选择器选择器 运算器运算器 运算器运算器 寄存器寄存器 运算器运算器 移位器移位器 寄存器寄存器(由选择控制信号由选择控制信号)(由移位控制信号由移位控制信号) 寄存器寄存器 寄存器寄存器 寄存器寄存器 ALU 移位器移位器 寄存器寄存器这是一种以这是一种以ALU为中心的单总线结构为中心的单总线结构 需要的

20、主要控制信号需要的主要控制信号 l l 寄存器开门信号寄存器开门信号 l l 移位控制信号移位控制信号 l l 寄存器打入脉冲寄存器打入脉冲(2) 单组内总线、集成寄存器结构单组内总线、集成寄存器结构 l l 与第一种方式的主要区别在于寄存器的结构。与第一种方式的主要区别在于寄存器的结构。l l CPU内部集成小型的存储器内部集成小型的存储器, 存储器的每一存储器的每一个单元作为一个寄存器使用个单元作为一个寄存器使用(称为寄存器组称为寄存器组)。l l 一组双向数据总线连接一组双向数据总线连接ALU和寄存器组。和寄存器组。l l 暂存器取代了暂存器取代了(独立寄存器结构中的独立寄存器结构中的)

21、选择器选择器 结构图结构图: 移位器移位器ALU暂存器暂存器C暂存器暂存器D R0 R1 Rn.内总线内总线主要特点主要特点: l l 数据总线为双向数据总线为双向, 运算器运算器ALU既能向总线发送数既能向总线发送数据据, 也能直接从总线接收数据也能直接从总线接收数据(由暂存器接收由暂存器接收); l l 各寄存器可从总线接收和向总线发送数据各寄存器可从总线接收和向总线发送数据; 完成完成 R0 + R1 R2 , 步骤如下步骤如下: R0 内总线内总线 暂存器暂存器C R1 内总线内总线 暂存器暂存器D 执行加法执行加法 结果经移位器结果经移位器(直送直送) 内总线内总线 内总线内总线 R

22、2(3) 多组内总线结构多组内总线结构CPU内部设置多组总线内部设置多组总线, 用于传输不同类别的用于传输不同类别的信息信息(地址信息、数据信息、指令信息等分别地址信息、数据信息、指令信息等分别用不同的总线传送用不同的总线传送)。如如 Pentium处理器的内部结构处理器的内部结构:8K指令指令Cache指令预指令预取部件取部件指令译码器指令译码器 微指令微指令 ROM分支预分支预测部件测部件控制部件控制部件U流水线流水线V流水线流水线U流水线地址生成逻辑流水线地址生成逻辑V流水线地址生成逻辑流水线地址生成逻辑 双端口数据双端口数据Cache浮点处理浮点处理部件部件FPU总线接口部件总线接口部

23、件32位内部地址总线位内部地址总线64位内部数据总线位内部数据总线3.2 时序控制方法时序控制方法“时序控制方法时序控制方法”的提出的提出:计算机由若干不同功能、计算机由若干不同功能、不同速度不同速度的部件和的部件和设备构成设备构成, 这些部件之间通信时这些部件之间通信时, 怎样才能做怎样才能做到时间上同步？到时间上同步？ 所谓所谓“时序控制方法时序控制方法”, 即根据不同的部件和即根据不同的部件和设备设备, 采用不同的采用不同的时间同步方式时间同步方式。也称为。也称为操作与操作与时序信号之间的关系时序信号之间的关系。主要的主要的时序控制方法有时序控制方法有: l l 同步控制同步控制 l l

24、 异步控制异步控制 l l 上述方式的变形上述方式的变形1、同步控制、同步控制 定义定义: 特点特点:l l 有明显时序时间划分有明显时序时间划分;l l 时钟周期时间固定时钟周期时间固定;l l 各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制。严格同步定时控制。各项操作受各项操作受统一时序统一时序控制。控制。由由CPU或其它设备提供或其它设备提供例例: 工作周期工作周期1工作周期工作周期3工作周期工作周期2将数据总线将数据总线内容打入指内容打入指令寄存器令寄存器取数取数, 打入打入数据寄存数据寄存器器, 并进行并进行加法操作加法操作从此处开始从此

25、处开始,执行将结果执行将结果存入存储单存入存储单元的操作元的操作认定结果认定结果已存入存已存入存储单元储单元执行一条加法指令执行一条加法指令: Ri + (M)M假设需要三个工作周期：假设需要三个工作周期： 应用场合应用场合:用于用于CPU内部、设备内部、系统总线操作内部、设备内部、系统总线操作l l 时序关系简单时序关系简单, 时序划分规整时序划分规整, 控制不复杂控制不复杂;l l 时间安排不合理时间安排不合理(缺点缺点)。l l 控制逻辑易于集中控制逻辑易于集中, 便于管理。便于管理。 优缺点优缺点: 采用同步控制的一些条件采用同步控制的一些条件 l l 发送、接收部件发送、接收部件(或

26、设备或设备)传送时间确定传送时间确定; l l 各部件速度相近各部件速度相近, 传送距离较近。传送距离较近。 l l 一次通信时间不太长一次通信时间不太长2、异步控制、异步控制各项操作按不同需要安排时间各项操作按不同需要安排时间, 不受不受统一时序控制。统一时序控制。 定义定义:例例. 异步传送操作异步传送操作l l 主设备主设备:申请并掌握总线权的申请并掌握总线权的设备。设备。l l 从设备从设备: 响应主设备请求的设备。响应主设备请求的设备。 特点特点:无统一时钟周期划分无统一时钟周期划分, 各操作间的衔接各操作间的衔接和部件之间的信息交换采用和部件之间的信息交换采用应答应答方式。方式。总

27、线总线发发/ /接接接接/ /发发从从设设备备主主设设备备l l 操作流程操作流程:主设备获得总线控制权主设备获得总线控制权 主设备询问从设备主设备询问从设备 主设备发送主设备发送/ /接收数据接收数据 主设备释放总线控制权主设备释放总线控制权从设备准备好？从设备准备好？YN主设备输出端与总线连接主设备输出端与总线连接主设备输出端与总线断开主设备输出端与总线断开l l 操作流程操作流程:也可以描述为也可以描述为(以读数据为例以读数据为例): (1) 主设备发出主设备发出RQ请求信号、请求信号、地址以及读命令地址以及读命令从设备从设备(2) (RQ信号一直保持有效信号一直保持有效)从设备收到主设

28、备命令从设备收到主设备命令,将数据放到数据总线上将数据放到数据总线上,主设备主设备发出应答信号发出应答信号ACK(3) 主设备收到主设备收到ACK后后, 采样数据总线采样数据总线(读数据读数据)将将RQ信号变为无效信号变为无效(4) 从设备检测到从设备检测到RQ信号无效信号无效, 停止驱动数据停止驱动数据总线总线, 将将ACK变为无效变为无效从时序上看从时序上看:RQData时延时延ACK主设备检测到主设备检测到ACK, 采样数据总线采样数据总线地址地址/读命令读命令主设备将主设备将RQ变为无效变为无效从设备停止驱从设备停止驱动数据总线动数据总线将将ACK变为无效变为无效主主设设备备从从设设备备l l 时间安排紧凑、合理时间安排紧凑、合理;l l 控制复杂。控制复杂。 优缺点优缺点: 应用场合应用场合:用于异步总线操作用于异步总线操作(各挂接部件速度差异大、各挂接部件速度差异大、传送时间不确定、传送距离较远等传送时间不确定、传送距离较远等)。(3) 同步方式的变化同步方式的变化指令周期长度可变指令周期长度可变, 时钟周期长度不变。时钟周期长度不变。可用计数器指示时钟周期数的变化。可用计数器指示时钟周期数的变化。 不同指令安排不同时钟周期数不同指令安排不同时钟周期数既有一套时序系统既有一套时序系