计算机组成原理第八章CPU结构与功能

1、8.1 CPU 概述概述8.2 控制器单元控制器单元CU8.3 多级时序系统多级时序系统8.4 中断系统中断系统一、一、 CPU CPU 功能功能取指令取指令分析指令分析指令执行指令，发出各种操作命令执行指令，发出各种操作命令控制程序输入及结果的输出控制程序输入及结果的输出总线管理总线管理处理异常情况和特殊请求处理异常情况和特殊请求1. 1. 控制器功能控制器功能2. 2. 运算器功能运算器功能实现算术运算和逻辑运算实现算术运算和逻辑运算 处理中断处理中断二、二、CPU 结构结构PC IR指令控制指令控制操作控制操作控制时间控制时间控制数据加工数据加工处理中断处理中断ALU 寄存器寄存器中断系

2、统中断系统CU 时序电路时序电路寄存器寄存器ALU 中断中断 系统系统CUCPU控制总线控制总线数据总线数据总线地址总线地址总线1. 用户可见寄存器用户可见寄存器 (1) 通用寄存器通用寄存器三、三、 CPU 寄存器寄存器存放操作数，地址存放操作数，地址可作可作 某种寻址方式所需的某种寻址方式所需的 专用寄存器专用寄存器 (2) 数据寄存器数据寄存器存放操作数存放操作数（满足各种数据类型）（满足各种数据类型） (3) 地址寄存器地址寄存器存放地址存放地址，其位数应满足最大的地址范围，其位数应满足最大的地址范围段基值段基值 栈指针栈指针 (4) 条件寄存器条件寄存器存放条件码存放条件码，可作程序

3、分支的依据，可作程序分支的依据如如 正、负、零、溢出、进位等正、负、零、溢出、进位等2. 控制寄存器控制寄存器 MAR, MDR, PC, IRPC控制控制 CPU 操作操作 MAR、MDR、IR 用户不可见用户不可见 PC 用户可见用户可见 MARMMDRIR指令寄存器指令寄存器控制单元控制单元 CU时钟时钟标志标志CPU 内部的控制信号内部的控制信号到系统总线的控制信号到系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号系统总线系统总线 8.2 控制单元控制单元 CU一、控制器结构一、控制器结构1. 输入信号输入信号(1) 时钟时钟(2) 指令寄存器指令寄存器(4) 外来信号外

4、来信号(3) 标志标志CU 受时钟控制受时钟控制控制信号控制信号 与操作码有关与操作码有关OP ( IR ) CUCU 受标志控制受标志控制INTR 中断请求中断请求HRQ 总线请求总线请求如如2. 输出信号输出信号(1) CPU 内的各种控制信号内的各种控制信号(2) 送至控制总线的信号送至控制总线的信号Ri Rj(PC) + 1 PCINTAHLDA访存控制信号访存控制信号访访 IO/ 存储器的控制信号存储器的控制信号读命令读命令写命令写命令中断响应信号中断响应信号总线响应信号总线响应信号MREQIO/MRDWRALU 、与、或、与、或 二、指令工作周期二、指令工作周期 取指周期取指周期间

5、址周期间址周期执行周期执行周期中断周期中断周期控制单元具有发出各种控制单元具有发出各种微操作命令序列微操作命令序列的功能。的功能。 （1）指令的指令周期不同）指令的指令周期不同取指周期取指周期指令周期指令周期取指周期取指周期 执行周期执行周期指令周期指令周期NOPJMP XADD mem MUL mem取指周期取指周期执行周期执行周期指令周期指令周期（2）具有间接寻址的指令周期）具有间接寻址的指令周期（3）带有中断周期的指令周期）带有中断周期的指令周期取指周期取指周期间址周期间址周期指令周期指令周期执行周期执行周期取指周期取指周期间址周期间址周期指令周期指令周期执行周期执行周期中断周期中断周期

6、（4）指令周期流程）指令周期流程取指周期取指周期执行周期执行周期有间址吗？有间址吗？有中断吗？有中断吗？间址周期间址周期中断周期中断周期是是是是否否否否 1、取指周期、取指周期PC MAR 地址线地址线1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存储器存储器CPU地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线OP（IR） CU 2、间址、间址 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线IR存

7、储器存储器 PC 3、执行周期、执行周期 (1) 非访存指令非访存指令例：例：CLA 清清A0 ACC (2) 访存指令访存指令Ad(IR) MAR1 RM(MAR) MDR(ACC) + (MDR) ACC ADD X例：加法指令例：加法指令4、中断周期、中断周期程序断点程序断点 进栈进栈向量地址向量地址 PC0 EINT（置（置“0”）向量地址向量地址 PCMDR M ( MAR ) PC MDR1 W 中断识别程序入口地址中断识别程序入口地址 M PC ( SP ) 1 MAR三、控制信号工作过程三、控制信号工作过程PCIRACCU时钟时钟ALU控制信号控制信号标志标志控控制制信信号号C

8、0C1C2C3C4取指周期取指周期 ADD XPCIRCU1. 不采用不采用 CPU 内部总线的方式内部总线的方式PCPCPC M D R M A R M D R M A RPCIRACCU时钟时钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A RC1C2C3C5ADD X 间址周期间址周期IR M D R M D R M A RPCIRACCU时钟时钟ALU控制信号控制信号标志标志控制控制信号信号 M D R M A RC1C2C5ADD X 执行周期执行周期C7C6C8ACALU控制控制信号信号 M D R M A R M D RMDRMDRCU(1) ADD X 取指

9、周期取指周期 PC CU 发读命令发读命令 1 R MDR OP（IR） （PC）+ 1 PCIRPCMARAC YALUZ控制信号控制信号IRiIRiPCOPCOMARiMARiMDROMDRO 数据线数据线数据线数据线控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线时钟时钟2. 采用采用 CPU 内部总线方式内部总线方式地址线地址线地址线地址线MARMDRIRCUIRPCPCMDRMARCUIRPCPCCU(2) ADD X 间址周期间址周期 MDR 1 R MDR有效地址有效地址 Ad（IR）MDROMDRO 数据线数据线数据线数据线时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控

10、制信号控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线MDRIRMARi MARi地址线地址线地址线地址线MARIRiIRiMARMDRIRMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDRO形式地址形式地址 MAR CU时钟时钟CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信号控制信号CPU 内内 部部 总总 线线MDROMDRO(3) ADD X 执行周期执行周期 1 R MDR Z AC（AC）+（Y） MDR控制信号控制信号MARMDR地址线地址线 地址线地址线 数据线数据线数据线数据线MARMDRYMDRMDRMDROMDROMDROMDROMDROMDROMDROYiYi YALUACA

11、COACO ALUiALUiALUALUACZZZZOZO ACiACiACACACACMARi MARiALUACCU 四、控制单元四、控制单元 CU设计设计 1. CU产生全部指令的微操作命令序列产生全部指令的微操作命令序列组合逻辑设计组合逻辑设计微程序设计微程序设计硬连线逻辑硬连线逻辑存储逻辑存储逻辑 8.3 多级指令时序系统多级指令时序系统 1、指令周期、指令周期取出并执行一条指令所需的全部时间取出并执行一条指令所需的全部时间完成一条指令完成一条指令执行执行取指、分析取指、分析取指阶段取指阶段取指周期取指周期执行阶段执行阶段执行周期执行周期（取指、分析）（取指、分析）（执行指令）（执行

12、指令）指令周期指令周期取指周期取指周期执行周期执行周期 2、机器周期、机器周期(1) 机器周期的概念机器周期的概念(2) 确定机器周期需考虑的因素确定机器周期需考虑的因素(3) 基准时间的确定基准时间的确定所有指令执行过程中的一个基准时间所有指令执行过程中的一个基准时间每条指令的执行每条指令的执行 步骤步骤每一步骤每一步骤 所需的所需的 时间时间 以完成以完成 最复杂最复杂 指令功能的时间指令功能的时间 为准为准 以以 访问一次存储器访问一次存储器 的时间的时间 为基准为基准若指令字长若指令字长 = 存储字长存储字长取指周期取指周期 = 机器周期机器周期 3、时钟周期（节拍、状态）、时钟周期（

13、节拍、状态） 一个机器周期内可完成若干个微操作每个微操作需一定的时间每个微操作需一定的时间时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间将一个机器周期分成若干个时间相等的将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段（时间段（节拍、状态、时钟周期节拍、状态、时钟周期）用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令用时钟周期控制产生一个或几个微操作命令CLKT0T1T2T3机器周期机器周期机器周期机器周期T0T1T2T3T0T1T2T34. 多级时序系统多级时序系统 5. 机器速度与机器主频的关系机器速度与机器主频的关系例例9.3 设某计算机的设某计算机的CPU主频为主频为8MH

14、z,每个机器每个机器周期平均含周期平均含2个时钟周期，每条指令的指令周期个时钟周期，每条指令的指令周期平均有平均有2.5个机器周期，试问该机的平均指令执行个机器周期，试问该机的平均指令执行速度为多少速度为多少MIPS？若主频不变，每个机器周期平均含若主频不变，每个机器周期平均含4个时钟周期，个时钟周期，每条指令的指令周期平均含有每条指令的指令周期平均含有5个机器周期，则个机器周期，则该机的平均指令执行速度又是多少该机的平均指令执行速度又是多少MIPS，由此可，由此可以得出什么结论？以得出什么结论？产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式任一微操作均由任一

15、微操作均由 统一基准时标统一基准时标 的时序信号控制的时序信号控制(2) 采用不定长的机器周期采用不定长的机器周期机器周期机器周期机器周期机器周期（取指令）（取指令）（执行指令）（执行指令）T0T1T2T3T0T1T2T3TT延长延长机器周期内机器周期内 节拍数不等节拍数不等(3) 采用中央控制和局部控制相结合的方法采用中央控制和局部控制相结合的方法T0T1T2T3T0T1T2中央控制节拍中央控制节拍 T3T0T1中央控制节拍中央控制节拍机器周期机器周期执行周期执行周期指令周期指令周期取指周期取指周期T0T1T2T3局部控制的节拍宽度与局部控制的节拍宽度与中央控制的节拍宽度一致中央控制的节拍宽

16、度一致T*T*T*局部控制节拍局部控制节拍2. 异步控制方式异步控制方式无基准时标信号无基准时标信号无固定的周期节拍和严格的时钟同步无固定的周期节拍和严格的时钟同步采用采用 应答方式应答方式一、概述一、概述1. 引起中断的各种因素引起中断的各种因素(1) 人为设置的中断人为设置的中断(2) 程序性事故程序性事故如如 转管指令转管指令溢出、操作码不能识别、除法非法溢出、操作码不能识别、除法非法(5) 外部事件外部事件(4) I/O 设备设备(3) 硬件故障硬件故障用用 键盘中断键盘中断 现行程序现行程序转管指令转管指令管理程序管理程序 二、中断工作过程二、中断工作过程 1. 中断请求中断请求 多

17、个多个INTR 组成组成 中断请求标记寄存器中断请求标记寄存器12345n掉电掉电过热过热阶上溢阶上溢主存读写校验错主存读写校验错非法除法非法除法键盘输入键盘输入打印机输出打印机输出 2. 中断判优中断判优 分散分散 在各个中断源的在各个中断源的 接口电路中接口电路中 链式排队器链式排队器 集中集中 在在 CPU 内内 (1) 硬件实现（排队器）硬件实现（排队器） (2) 软件实现（程序查询）软件实现（程序查询）3. 中断响应中断响应 中断响应条件中断响应条件中断隐指令中断隐指令 4、中断服务、中断服务硬件向量法硬件向量法入口地址入口地址 200入口地址入口地址 300入口地址入口地址 400

18、12 H13 H14 H主存主存向量地址向量地址形成部件形成部件中断向量中断向量排队器输出排队器输出向量地址向量地址 12H、13H、14H入口地址入口地址 200、 300、 400 5、中断返回、中断返回 IRET中断程序中断程序1 .中断程序中断程序2200300主存主存400中断程序中断程序31. 多重中断概念多重中断概念klmk +1l +1m +1第一次第一次 中断中断第二次第二次 中断中断第三次第三次 中断中断程序断点程序断点 k+1 , l+1 , m+1三、中断屏蔽技术三、中断屏蔽技术 2. 实现多重中断条件实现多重中断条件B、CA中断中断请求请求主程序主程序(2) 优先级别

19、高优先级别高 的中断源的中断源 有权中断优先级别低有权中断优先级别低 的中断源的中断源(1) 提前提前 设置设置 开中断开中断 指令指令ABCD中断服务程序中断服务程序（ A、B、 C、 D 优先级按优先级按 降序降序 排列）排列）D 3. 屏蔽技术屏蔽技术(2) 屏蔽字屏蔽字优先级优先级屏屏 蔽蔽 字字 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11234561516 屏蔽技术可改变处理优先等级屏蔽技术可改变处理优先等级响应优先级响应优先级响应优先级响应优先级 ABCD 降序排列降序排列 不可改变不可改变处理优先级处理优先级可改变（通过重新设置屏蔽字）可改变（通过重