[工学]组成原理与汇编语言课件(PPT 30页)

1、本次课程要点：1、掌握CPU的总体结构及设计。2、掌握指令周期与指令流程。第二部分：第4章 中央处理器第1页，共30页。（1）CPU的功能一、CPU的总体结构及设计1、CPU的功能及基本组成第二部分：第4章 中央处理器CPU功能： 控制计算机运行存储在主存储器的程序，完成人们对问题的求解工作。其任务是控制着机器到主存中取出指令，根据指令功能执行该指令，然后，再取出下一条指令继续执行。程序控制功能、数据处理功能、操作定序功能第2页，共30页。（2）CPU的基本组成一、CPU的总体结构及设计1、CPU的功能及基本组成第二部分：第4章 中央处理器 控制部件(CU) 算术逻辑运算部件（ALU） Cac

2、he存储器 中断系统 各种寄存器 CPU内部数据通路第3页，共30页。（1）CPU设计大致步骤一、CPU的总体结构及设计2、模拟机CPU的总体结构第二部分：第4章 中央处理器1、确定总体结构，设计数据通路及相应控制信号；2、设计指令系统及时序系统，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4页，共30页。 单BUS结构：CPU、存储器及I/O部件挂接在一组系统总线上，同步方式工作。有16位地址总线（ABUS），16位数据总线（DBUS），控制总线（CBUS）。模拟机的CPU主要包括：ALU，Registers，RBL（总线

3、暂存器），SR（移位寄存器），PC，IR，MAR（主存地址寄存器），MDR（主存数据寄存器），CU，TS（时序系统）等。（2）模拟机主机系统数据通路结构及设计一、CPU的总体结构及设计2、模拟机CPU的总体结构第二部分：第4章 中央处理器第5页，共30页。0-PCPC+1ABUSDBUSCBUS MAR-ABUSMARR地址R-IBUSREWEIBUS-MAR移位寄存器SRFRPCIBUS-PCIRIBUS-IRCUTS控制信号主存 Memory MDRMDR-DBUS MDR-IBUSRBLIBUS-RBLRBL-IBUSALUADDCSUBC IBUS寄存器组PC-IBUSMUXBUS-M

4、DRI-DBUSHALT0000H0002HFFFEH0001H0003HFFFFH偶体奇体MRDMWRW-BW-BRARBALU-IBUSANDCORC IBUS-RA IBUS-RBSHLCSALCROLCIBUS-SRSR-IBUSW-B MAR-IBUS第6页，共30页。（1）CPU内总线（IBUS）一、CPU的总体结构及设计3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计第二部分：第4章 中央处理器双向单总线IBUS重用单发送多接收三态门隔离不具有保存信息的功能第7页，共30页。（2）算术逻辑运算部件一、CPU的总体结构及设计3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第二部分：第4章

5、 中央处理器 算术逻辑运算部件由ALU，RA，RB，三态门及FR（标志寄存器）组成。ALU部件基本运算：ADDC，SUBC，ANDC， ORC，XORC，NOTC，INCAC，DECAC等思考：将内部总线上两个数相加送还给内部总线，则需要发出的控制信号？第8页，共30页。（3）寄存器组一、CPU的总体结构及设计第二部分：第4章 中央处理器 8个16位的寄存器：AX，BX，CX，DX，SI，DI，BP，SP； 4个控制信号：RE，WE，W-B，R-IBUS3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第9页，共30页。的SIDIBPSPDLDHCLCHBLBHALAHSIDIBPSPDLDHC

6、LCHBLBHALAHR地址R-IBUSW-B地址R字/字节操作写某个通用寄存器读某个通用寄存器将某通用寄存器内容送内总线数据RREWE第10页，共30页。（3）寄存器组（续）一、CPU的总体结构及设计第二部分：第4章 中央处理器例1：IBUS AX R地址(AX), WE, W-BBX IBUS R地址(BX), RE, W-B，R-IBUS3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第11页，共30页。（4）总线暂存器（RBL）一、CPU的总体结构及设计第二部分：第4章 中央处理器例：AX W RBL：R地址（AX），RE， W-B、R-IBUS、IBUS-RBL 总线暂存器为16位，

7、用来暂存或锁住CPU内部总线IBUS上的数据。 2个控制信号：IBUS-RBL，RBL-IBUS3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第12页，共30页。（5）移位寄存器（SR）一、CPU的总体结构及设计第二部分：第4章 中央处理器 移位寄存器为16位，用来暂存CPU内部总线IBUS上的数据，并且具有移位功能。 9个控制信号：IBUS-SR，SR-IBUS，SHLC，SHRC，SALC，SARC，ROLC，RORC，W-B例3：将RBL中一个字内容算术左移一位 RBL-IBUS，IBUS-SR，SALC，W-B，SR-IBUS ，IBUS-RBL3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的

8、设计（续）第13页，共30页。（6）程序计数器（PC）一、CPU的总体结构及设计第二部分：第4章 中央处理器 程序计数器为16位，保存CPU将要访问的程序中指令的主存地址。 4个控制信号：IBUS-PC，PC+1，0-PC，PC-IBUS3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第14页，共30页。（7）指令寄存器（IR）一、CPU的总体结构及设计第二部分：第4章 中央处理器 指令寄存器为16位，保存CPU正在执行指令的高16位。 1个控制信号：IBUS-IR3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第15页，共30页。（8）主存地址寄存器（MAR）一、CPU的总体结构及设计第二部

9、分：第4章 中央处理器 指令寄存器为16位，保存CPU向系统总线的地址总线ABUS发送的地址信息，作为CPU访问主存的地址信息。 3个控制信号：IBUS-MAR，MAR-IBUS, MAR-ABUS3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第16页，共30页。（9）主存数据寄存器（MDR）一、CPU的总体结构及设计第二部分：第4章 中央处理器 指令寄存器为16位，保存CPU与主存之间进行信息交换的数据。 4个控制信号：BUS-MDR，I-DBUS，MDR-DBUS，MDR-IBUS 例4：从内存取值到IR中。 PC-IBUS、IBUS-MAR MAR-ABUS，MRD，W-B ，BUS-

10、MDR，I-DBUS MDR-IBUS、IBUS-IR3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第17页，共30页。（10）控制部件（CU）一、CPU的总体结构及设计第二部分：第4章 中央处理器 根据指令操作码的不同，与时序系统配合产生相应的控制信号，以控制机器正确运行。（11）时序系统（TS） 开机后，负责循环往复地产生使机器运转的周、节拍及工作脉冲等信号，使控制部件在时序系统的配合下，能够在相应的时刻产生相应的控制信号。3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第18页，共30页。（12）主存（Memory）一、CPU的总体结构及设计第二部分：第4章 中央处理器 按照字节编址，

11、主存地址为16位，共64KB，有偶体和奇体之分。 3个控制信号：MRD，MWD，W-B 例5：把MDR中的16位字数据按照MAR提供的地址写入到主存字单元中。MAR-ABUS，MDR-DBUS，MWR，W-B（W-B=1）3、模拟机CPU的基本组成及控制信号的设计（续）第19页，共30页。二、指令周期与指令流程第二部分：第4章 中央处理器 机器执行一条指令的过程，通常分成几个不同的阶段，利用相应的节拍及脉冲完成指令的执行。1、指令系统的基本概念第20页，共30页。 指令周期是指从取指令、分析取数到执行完该指令所需的全部时间。由于各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周期

12、不尽相同。二、指令周期与指令流程第二部分：第4章 中央处理器1、指令系统的基本概念（续）（1）指令周期第21页，共30页。 机器周期又称CPU周期。通常把一个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期完成一个基本操作。一般机器的CPU周期有取指周期、取数周期、执行周期、中断周期等。所以有： 指令周期i机器周期二、指令周期与指令流程第二部分：第4章 中央处理器1、指令系统的基本概念（续）（2）机器周期第22页，共30页。 不同的指令周期中所包含的机器周期数差别可能很大。一般情况下，一条指令所需的最短时间为两个机器周期：取指周期和执行周期。 通常，每个机器周期都有一个与之对应的周期状态触发器。机器

13、运行在不同的机器周期时，其对应的周期状态触发器被置“1”。显然，在机器运行的任何时刻只能处于一种周期状态，因此，有且仅有一个触发器被置“1”。二、指令周期与指令流程第二部分：第4章 中央处理器1、指令系统的基本概念（续）（2）机器周期（续）第23页，共30页。二、指令周期与指令流程第二部分：第4章 中央处理器1、指令系统的基本概念（续）（3）时钟周期（节拍） 在一个机器周期内，要完成若干个微操作。因而应把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称为时钟周期（节拍电位信号）。 节拍的宽度取决于CPU完成一次微操作的时间。节拍的选取一般有以下几种方法： (a)统一节拍法

14、以最复杂的机器周期为准定出节拍数，每一个节拍时间的长短也以最繁的微操作作为标准。这种方法采用统一的、具有相等时间间隔和相同数目的节拍，使得所有的机器周期长度都是相等的，因此称为定长CPU周期。第24页，共30页。节拍时钟周期CLK取指周期执行周期指令周期T1T1T2T2T3T3T4T4图1 定长机器周期示意图第二部分：第4章 中央处理器第25页，共30页。 (b)分散节拍法 按照机器周期的实际需要安排节拍数，需要多少节拍，就发出多少节拍，这样可以避免浪费，提高时间利用率。由于各机器周期长度不同，故称为不定长CPU周期。二、指令周期与指令流程第二部分：第4章 中央处理器1、指令系统的基本概念（续

15、）（3）时钟周期（节拍）（续）第26页，共30页。T1 T2 T3 T1 T2 T3 T1 T2 T3 T4 节拍CLK取指周期取数周期执行周期指令周期第二部分：第4章 中央处理器图2 不定长机器周期示意图第27页，共30页。 (c)延长节拍法 在照顾多数机器周期要求的情况下，选取适当的节拍数，作为基本节拍。如果在某个机器周期内统一的节拍数无法完成该周期的全部微操作，则可以延长一或两个节拍。二、指令周期与指令流程第二部分：第4章 中央处理器1、指令系统的基本概念（续）（3）时钟周期（节拍）（续）第28页，共30页。 (d)时钟周期插入 在一些微型机中，时序信号中不设置节拍，而直接使用时钟周期信号。一个机