萝卜家园第五部分

1、第 五 章中央处理器1 5.1.1 中央处理器的功能CPU具有如下四方面的基本功能：5.1 中央处理器的功能和组成（1）指令控制：程序的顺序控制。（2）操作控制：把各种操作信号送往相应的部件。（3）时间控制：对各种操作实施时间上的控制。（4）数据加工：ALU，对数据进行算术运算和逻辑运算处理。2CPU 的基本组成：运算器、cache 和控制器三大部分。1. 控制器的主要功能：（1）从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；（2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；（3）指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。2. 运算器的主要功能：

2、（1）执行所有的算术运算；（2）执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。 5.1.2 中央处理器的组成3CPU 的组成图CPU控制器运算器程序计数器（PC）指令寄存器（IR）指令译码器（ID）时序产生器操作控制器ALU累加器 （AC）数据缓冲寄存器（DR）状态寄存器 （PSW）4DRIR IDPCAR操作控制器时序产生器RAMALUAC时钟状态反馈取指控制执行控制PC+1 PSW 5.1.3 中央处理器中的寄存器5 从存储器读取一条指令字所用的最短时间。 5.2.1指令周期的概念5.2 指令周期 取1条指令执行指令开始T1T2T3T4T1T2T3T4T1T2CPU 周期（取指令）CPU 周期（执行

3、指令）指令周期T周期CPU 周期6五条典型指令组成的一个程序7 5.2.2 CLA 指令的指令周期非访内指令取指令PC+1取指令译码取下一条指令PC+1 执行 指 令取指阶段执行指令阶段8取指控制执行控制操作控制器时序产生器RAMALU时钟状态反馈PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 20从 20开始PC+1=21202120CLACLACLACLA操作控制器时序产生器执行控制ALU0执行 CLA 指令9 5.2.3 ADD 30 指令的指令周期访内存取并执行指令 A+（30） A取指令PC+1译指令码 取操 作数 送操作数地址取指阶段执行指令阶段执行加操作取下一条指令PC+1CPU周期C

4、PU周期CPU周期10取指控制执行控制2120操作控制器时序产生器RAMALU0时钟状态反馈PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 21继续PC+1=22212221ADD 30ADD 30ADD 30ADD 30操作控制器时序产生器执行控制303030000 006060600 0+6=66指令结束执行 ADD 30 指令11 5.2.4 STA 40 指令的指令周期访内存取并执行指令 （30） A取指令PC+1译指令码 送操 作数 送操作数地址取指阶段执行指令阶段执行操作(写)取下一条指令PC+1CPU周期CPU周期CPU周期12取指控制执行控制2221操作控制器时序产生器RAMALU6

5、时钟状态反馈PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 22继续PC+1=23222322STA 40STA 40STA 40STA 40操作控制器时序产生器执行控制4040执行 STA 40 指令666指令结束13 5.2.4 NOP 和JMP 指令的指令周期NOP 空操作指令，JMP 跳转指令取指令PC+1译指令码 送操作数地址取指阶段执行指令阶段取下一条指令PC+1CPU周期CPU周期14取指控制执行控制2322操作控制器时序产生器RAMALU6时钟状态反馈PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 23继续PC+1=24232423NOPNOPNOPNOP操作控制器时序产生器执行控制指令结

6、束执行 NOP 指令15取指控制执行控制2423操作控制器时序产生器RAMALU6时钟状态反馈PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 24继续PC+1=25242524JMP 21JMP 21JMP 21JMP 21操作控制器时序产生器执行控制执行 JMP 21 指令2121指令结束165.1.3 中央处理器中的寄存器21操作控制器时序产生器RAMALU时钟状态反馈取指控制执行控制PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 17样板操作控制器时序产生器RAMALU时钟状态反馈取指控制执行控制PC+1ACDRIRIDPCAR PSW 20CLS指令结束18PC AR ABUSDBUS DR IR

7、 PC+1译码或测试0 ACIR ARIR ARIR PCPC ARAR ABUS DBUS DR DR ALUALU ACAR ABUS AC DR DR DBUSCLAADDSTAJMPNOP5.2.6 用方框图语言表示指令周期19IRPCARMDRR0R1R2R3XYGALUIRiPCiARiR1iR/WDRiR2iR3iR0ixiyiIRopcoARoDRoR0oR3oR2oR1o+-PC ARPco，G，ARiM DRR/W=RDR IRDRo，G，IRiR1 DRR1o，G，DRiR2 ARR2o，G，ARiDR MR/W=Wi存数指令 STA R1 , (R2)指令周期流程图20

8、PC ARPco，G，ARiM DRDR IRR2 YR0 XDR0+R2 R0R/W=RDRo，G，IRiR2o，G，YiR0o，G，Xi+ , Gi, R0iADD R2 , R021 5.3.1 时序信号的作用和体制时序信号的作用：保证计算机能准确、迅速、有条 不紊地工作。 在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节拍电位节拍脉冲二级体制。就是说，它只有严格节拍电位，在节拍电位中又包含若干个节拍脉冲（时钟周期）。节拍电位表示一个CPU周期的时间，而节拍脉冲把一个CPU周期划分成几个较小的时间间隔。根据需要，这些时间间隔可以相等，也可以不相等。5.3 时序产生器和控制方式225.3.2

9、 时序信号产生器时序信号产生器的功能是：用逻辑电路实现时序。启停控制逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑环形脉冲发生器时钟脉冲源IORQMREQRDWRT1T2T3T4IORQOMREQORDOWROT1OT2OT3OT4OIORQ MREQRD WR 停机启动时序信号产生器框图23 由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成。 作用产生一组有序的间隔相等或不 等的脉冲序列。环形脉冲发生器的两种形式：采用普通计数器：在节拍脉冲上带来毛刺。循环移位寄存器1.时钟源2.环形脉冲发生器24脉冲时钟源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oR

10、DOWEOIORQOT4oWE+5VR环形脉冲发生器与译码逻辑100QQC1DQQC2DQQC3D0001过100 ns之后001QQC11QQC3D0QQC2D0+5V25脉冲时钟源QQC1DQQC2DQQC3DQQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形脉冲发生器与译码逻辑100QQC1DQQC2DQQC3D0001过100 ns之后001QQC11QQC3D0QQC2D0+5V26脉冲时钟源QQC4D23SCLRMREQOMREQIORQRDT1oT2oT3oRDOWEOIORQOT4oWE+5VR环形脉冲发生器与译码

11、逻辑10样品QQC1DQQC2DQQC3D000过100 ns之后273. 节拍脉冲和读 / 写时序的译码根据上图得到，其译码电路逻辑可表示为：T1o= C1* C2T2o= C2 * C2T3o= C3T4o= C1根据上图，节拍电位与节拍脉冲时序关系如下：读写时序信号的译码逻辑表达式为：RD o= C2* RDWE o= C3* WEIORQ o= C2* IORQMREQ o= C2* MREQ28WE12345678910C4C3C2C1MREQORDRDWET1T2T3T4节拍电位与节拍脉冲时序关系图294.启停控制逻辑 机器一旦接通电源，就会自动产生原始的节拍脉冲信号T1OT4O，

12、然而只有在启动机器运行的情况，才允许时序产生器发出CPU工作所需的节拍脉冲T1T4 。MREQORDT1T2T3RDOWET4WEOMREQOT2oT3oT4oT1oQQC1DT4o启动停机CLR启停控制逻辑305.3.3 控制方式机器指令的指令周期是由多个CPU周期组成。控制方式有如下四种：1. 同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的，称为同步控制方式。（1）采用完全统一的机器周期执行各种不同指令。（2）采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一个较短的机器周期内完成，对于某些时间紧张的操作，则采取延长机器周期的方法。（3）中央控制与局部控制结

13、合。中央控制：将大部分指令安排在固定的机器周期内完成。局部控制：对少数复杂指令（乘、除、浮点运算）采用另外时序定时。根据不同情况，同步控制方式可选取如下方案：312. 异步控制方式：每条指令周期可由多少不等的机器周期数组成。指令周期数和时针周期数不固定。3. 联合控制方式：同步控制和异步控制相结合的方式。方式1：大部分操作序列安排在固定的机器整齐中，对某些时间难以确定的操作，以执行部件的“回答”信号作为操作的结束。方式2：机器周期的节拍脉冲固定，但指令周期中的机器周期数不固定。4. 人工控制方式：为了调试机器和软件开发的需要，在计算机面板和内部设置一些开关或按键以进行人工控制。如RESET键，

14、连续执行或单条指令执行的转换开关，符合停机开关等。325.4 微程序控制器微程序控制器同组合逻辑控制器相比较：特点：具有规整性、灵活性、可维护性。 在计算机系统中，微程序设计是利用软件方法来设计硬件的一门技术。微程序控制器的基本思想：操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放在ROM中。运行时，一条条地读出这些微指令。产生全机所需要的各种操作控制信号。335.4.1 微命令和微操作一台数字计算机基本上可以划分为两大部分：控制部件执行部件控制命令反馈 测试微指令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种 控制命令。微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。微操作相斥性：同一个CPU周期不能并行执行 的微操作。相容性：同一个CPU周期可并行执行的 微操作。34CY+MR1R2R3X468579123Y简单运算器数据通路图35 上图所示，是一个简单运算器模型，其中AL