计算机组成原理第五章中央处理器

第五章中央处理器计算机组成原理本章内容简介本章主要内容本章前面部分详细介绍CPU的功能和基本组成，指令周期的概念，时序产生器的组成，微程序控制器及其设计技术，硬布线控制器，传统CPU的结构。在此基础上，介绍流水CPU、RISCCPU、多媒体CPU等先进的计算机科学技术成果。重点和难点指令流程序列分解(5.2)微程序设计思想(5.4-5.5)流水技术(5.8)计算机硬件系统组成第二章第五章第三章第七章第六、八章控制器运算器总线和接口高速缓存主存虚拟存储器输出设备输入设备准备好迎接新挑战了吗？5.1CPU的功能和组成CPU的基本功能指令控制控制程序中的指令按规定的顺序执行操作控制控制器产生每条指令的操作控制信号将其送往相应的部件控制这些部件按指令的要求进行操作时间控制对各种操作实施时间上的定时数据加工对数据进行算术运算和逻辑运算处理CPU的基本组成——运算器OP地址码CPU的基本组成——内存与CPU接口OP地址码AR/MAR：用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址DR/MDR/MBR：暂存由内存读写的一条指令或一个数据字CPU的基本组成——控制器OP地址码3.时间基准?4.操作数地址如何形成?5.下条指令地址如何形成?①②③寻址方式+1转移地址微操作控制信号1.控制器的基本任务?产生微操作控制信号2.产生微操作控制信号的依据?CPU的基本组成OP地址码微操作控制单元（操作控制器）微操作一条指令从取出到执行可以分解为很多最基本的操作，这些操作是最简单不可再分的，称为微操作。微操作控制单元(操作控制器)根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。微操作控制单元微操作控制信号各部件状态反馈信号时序信号操作码译码输出根据微操作信号的产生方式不同，分为：1.组合(时序)逻辑型2.存储逻辑型3.组合逻辑与存储逻辑相结合型P1565.2指令周期指令的执行过程取指令分析指令（对指令译码）执行指令开始取指令执行指令分析指令5.2指令周期指令周期

取指令、分析指令、执行指令的时间总和。一个指令周期由若干个机器周期构成。机器周期(CPU周期)CPU完成一个基本操作所需的时间。取指、取数等。

总线周期：CPU通过外部总线进行存取的机器周期比较长，微型机中常用CPU完成一次总线传送所需的时间来定义机器周期。节拍一个机器周期由若干个节拍构成。信息的载体工作脉冲每个节拍末尾的脉冲信号。触发器的定时触发信号时钟周期(微机)多级时序系统CPU周期、节拍T、工作脉冲ΦM1M2T1T2T3T4Φ

微机中用时钟周期代替节拍和工作脉冲节拍工作脉冲P170P157指令周期序列分解地址单元内容说明020250000CLA；累加器AC清0021030030ADD30；AC+(30)→AC022020040STA40；AC→40023000000NOP；空操作024140021JMP21；转移到21地址单元……030000006

数据031000040……040存和数单元五条典型指令的小程序P158CLA的指令周期CLA为非访内指令，指令周期有两个机器周期。ARPCDRIR地址单元内容020CLA021ADD30022STA40023NOP024JMP21……030000006031

040存和数ACALU指令译码器操作控制器时序产生器时序状态CLA的指令周期取指周期PC→AR；PC+1AR→ABUSDBUS→DR；DR→IR；指令译码或测试；执行周期0→AC020ABUSDBUS020021+1CLACLA控制信号0ADD的指令周期ADD指令为访内指令，指令周期有三个机器周期ARPCDRIR地址单元内容020CLA021ADD30022STA40023NOP024JMP21……030000006031

040存和数ACALU指令译码器操作控制器时序产生器时序状态ADD的指令周期取指周期PC→AR→ABUSDBUS→DR→IRPC+1送数地址Ad(IR)→AR执行周期(相加)AR→ABUSDBUS→DRDR→ALUALU→AC020ABUSDBUS021022+1ADD30ADD30控制信号03000606取数执行STA的指令周期STA指令为访内指令，指令周期有三个机器周期ARPCDRIR地址单元内容020CLA021ADD30022STA40023NOP024JMP21……030000006031

040存和数ACALU指令译码器操作控制器时序产生器时序状态STA的指令周期取指周期PC→AR→ABUSDBUS→DR→IRPC+1送数地址Ad(IR)→AR执行周期(写数)AC→DRAR→ABUSDR→DBUS020ABUSDBUS022023+1STA40控制信号STA40040666送数执行NOP和JMP的指令周期NOP、JMP指令周期均有两个机器周期NOP指令在取指令后，执行周期不发出任何控制信号。JMP指令周期ARPCDRIR地址单元内容020CLA021ADD30022STA40023NOP024JMP21……030000006031

040存和数ACALU指令译码器操作控制器时序产生器时序状态JMP的指令周期取指周期PC→AR→ABUSDBUS→DR→IRPC+1执行周期(跳转)Ad(IR)→PC

024ABUSDBUS024025+1JMP21控制信号6JMP21021指令周期流程图指令周期例题【例1】双总线结构机器的数据通路两条指令ADDR2，R0；(R0)+(R2)→R0SUBR1，R3；(R3)-(R1)→R3画出其指令周期流程图列出相应的微操作控制信号序列。P166ADDR2，R0；(R0)+(R2)→R0PC→ARM→DRDR→IRR2→YR0→XY+X→R0译码PCO，G，ARiR/W=RDRO，G，IRiR2O，G，YiR0O，G，Xi+，G，R0i取指执行指令流程图微操作控制信号具有自增功能SUBR1，R3；(R3)-(R1)→R3PC→ARM→DRDR→IRR3→YR1→XY-X→R3译码PCO，G，ARiR/W=RDRO，G，IRiR3O，G，YiR1O，G，Xi-，G，R3i取指执行指令流程图微操作控制信号5.3时序产生器和控制方式时序信号的作用指挥CPU的操作在时间上准确、协调、同步。[思考]指令和数据均以二进制形式存放在内存中，CPU如何区分其是指令还是数据？（P167）时序产生器的组成环形脉冲发生器节拍发生器启停控制逻辑时钟脉冲源产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号根据需要，可靠地开放或封锁脉冲产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列对控制信号进行时序上的限制时序控制方式时序控制方式：计算机的基本操作与时序信号之间的关系同步控制方式—“以时定序”各项操作与统一的时序信号同步设计简单，但可能会存在时间浪费异步控制方式—“以序定时”没有统一的时序前一个操作结束，作为下一个操作的启动信号每条指令需要多少时间，就占用多少时间运行速度快，控制电路比较复杂一般用于各自具有不同时序的设备之间信息交换联合控制方式—同步和异步相结合大部分操作以固定时序控制，对某些难以确定的操作则以问答方式进行。能保证一定的运行速度，电路设计相对复杂5.4微程序控制器1951年，英国剑桥大学威尔克斯（M.V.Wilkes）教授提出。微程序设计的基本思想每一条机器指令的功能，用一段微程序来实现；每段微程序由若干条微指令组成；每个微指令含有若干个微命令；每个微命令完成一个微操作；设计制造CPU时，根据整个指令系统的需要，事先编制微程序，并将它们存入一个用ROM构成的控制存储器中；CPU执行某条机器指令时，就直接从控制器中取出对应的微程序加以执行。微程序设计的基本思想微程序的基本概念和术语微命令控制部件发出的直接作用于某执行部件控制门的命令是构成控制信号序列的最小单位如控制门的选通信号、触发器的打入脉冲、置位脉冲等。微操作执行部件接到微命令后执行的最基本的操作。如开门、关门、选择、打入等。微操作可分为相容性和相斥性。例如：Read和Write是相斥的。微程序的基本概念和术语微指令由同时发出的控制信号所执行的一组微命令。微地址微指令的地址微操作控制字段顺序控制字段（下址字段）产生控制信号，提供微命令。指示下条微指令地址的形成方式，或直接提供下条微指令地址。微程序的基本概念和术语微周期从取出到执行完一条微指令所需的时间。在微程序设计中，不设置节拍，由微周期来代替。微程序一系列微指令的有序集合称为微程序。计算机中每条指令的功能均由微程序完成。控制存储器存放微程序的存储器。主要存放控制命令与下条执行的微指令地址。控制存储器可以用只读存储器实现。控制存储器的字长比机器字要长得多。机器内控制信号数量比较多微地址码也有一定的宽度P174微程序控制器的原理框图μCM：核心部件，用来存放微程序。μIR：用来存放从μCM中取出的微指令。微地址形成部件：用来产生初始微地址和后继微地址。μMAR：接收微地址，为读取微指令做准备。微程序控制器的工作过程取指令微程序0#取指令微程序控制信号(取指令)机器指令微程序入口地址微程序微程序控制器的工作过程微程序控制器的工作过程执行取机器指令公操作。从μCM的0#微地址单元，取出读机器指令用的公用微程序，送到μIR加以执行，就取出了一条机器指令到IR；形成对应的微程序入口地址。由机器指令的操作码通过微地址形成线路，产生对应的微程序入口地址，送μMAR；从μCM中逐条取出微指令，加以执行；微程序执行完毕，取下一条机器指令。返回到μCM的0#微地址单元，再执行读机器指令的公用微程序，取下一条机器指令。如此，周而复始，直到整个程序执行完毕。微程序的基本概念和术语思考：机器指令与微指令，程序与微程序，主存储器与控制存储器的关系？机器指令程序主存储器构成存储在微指令微程序控制存储器构成存储在对应5.5微程序设计技术微程序设计的目标缩短微指令字长，减小控存容量。减小微程序长度，提高微程序的执行速度。微指令的执行方式串行方式：取微指令和执行微指令顺序进行，一条微指令取出并执行之后，才能取下一条微指令。并行方式：取微指令和执行微指令重叠并行执行微指令2取微指令2执行微指令1取微指令1CM工作数据通路工作CM工作数据通路工作执行微指令2取微指令2执行微指令1取微指令1执行微指令2取微指令2微操作控制字段——微命令编码直接表示法（不译码法）编码表示法混合表示法顺序控制字段——微地址的形成方法计数器方式（增量方式）多路转移方式（断定方式）微指令格式微操作控制字段顺序控制字段（下址字段）产生控制信号，提供微命令。指示下条指令地址的形成方式，或直接提供下条指令地址。微命令编码直接表示法每一位代表一个微命令，在设计微指令时，是否发出某个微命令，只要将控制字段中相应位置“1”或置“0”即可。特点简单，并行性强，速度快。位数长，控存容量大。控制字段的位数取决于微命令个数。例：31个微命令。操作控制字段31位。实际上，微命令一般400~600个。11…0100114N-1N微操作控制字段微命令…微命令编码编码表示法相斥的微命令放在同一组内，通过小组译码器进行译码例：7条互斥的微命令编成一组，可用3位编码表示，“000”表示无操作。相容的微命令放在不同组内。特点微指令长度缩短31条微命令，8个一组，共需4组。每组3位，共12位。微命令越多，译码器越复杂。组1组2…μIR操作控制字段顺序控制字段译码器译码器译码器微命令微命令微命令微命令编码混合表示法将直接表示法与字段编码法相结合。综合考虑微指令字长、灵活性、执行速度等方面的要求LDIR直接表示法编码表示法微地址的形成方法初始微地址：由机器指令的操作码译码形成一级功能转换机器指令操作码字段位数和位置固定，可直接使操作码与入口地址码部分位相对应。二级功能转换机器指令操作码的位数、位置不固定时，先分类，每一类再根据操作码译码。指令功能——操作码

M0V——0000

ADD——00010010

…1111控制存储器000011000111001011…M0V微程序ADD微程序微地址的形成方法后继微地址计数器方式（增量方式）与PC产生机器指令地址的方式类似，利用微程序计数器μPC（可用具有加一功能的μMAR来代替）顺序执行时：μPC+1；转移执行时：由顺序控制字段产生。简单，但不能实现多路分支多路转移方式（断定方式）当不产生分支时，后继微地址直接由下址字段给出当产生多路分支时，按顺序控制字段的判别测试标志实现多选一。特点：实现多路分支，灵活、速度快。微操作控制字段判别测试字段下址字段n位，实现2n种分支选择微指令设计水平型微指令一次能定义并执行多个并行微命令的微指令。全水平型：直接控制编码法（不译码法）字段译码型：字段编码法直接和译码相混合型垂直型微指令一次只能执行一个微命令的微指令。类似于机器指令格式。功能简单、微程序段长。例：寄存器-寄存器传送型微指令微操作码水平型、垂直型微指令比较并行性及效率水平型：并行操作能力强，效率高，灵活性强垂直型：较差。执行时间水平型：执行一条指令的时间短垂直型：执行时间比较长。实现微程序水平型：微指令字长而微程序短垂直型：微指令字比较短而微程序长。易用性水平型：硬方法。要精通数据通路等，难掌握垂直型：软方法。类似指令，容易掌握。思考：P210—11已知某机采用微程序控制方式。控存容量512×48位微程序可在整个控制存储器中实现转移可控制转移的条件共有4个微指令采用水平型格式后继指令地址采用断定方式。微指令中三个字段分别应为多少位？操作控制顺序控制微指令字段判断测试字段下地址字段2位控制转移的条件有4个在512个存储单元中实现转移9位每存储单元48位37位微程序举例BCD码的十进制加法算法原理10101…10001100001001…00010000BCD码111115……10111110101010019……0001100000二进制数十进制数+6算法：进行a+b+6运算判断运算结果有无进位有进位：不减6，结束无进位：减6P175微程序举例微程序流程取指微指令判别测试，形成微程序入口a+ba+b+6判别测试有无进位无进位，减6数据通路（P173）微程序举例第一条微指令格式：取一条机器指令000000000000111111000000000微地址PC→ARDBUS→DRDR→IRPC+1假设十进制加法指令操作码为1010，后继微地址为1010不起作用微程序举例第二条微指令格式：完成a+b010100100100000000010011010微地址+R1→XR2→YALU→R2后继微地址为1001微程序举例第三条微指令格式：完成a+b+6，并判别是否有进位010001001100000000100001001微地址+R2→XR3→YALU→R2测试Cy：Cy=0，后继微地址0001；Cy=1，后继微地址0000。不起作用微程序举例第四条微指令格式：无进位，完成a+b-6010001001001000000000000001微地址-R2→XR3→YALU→DR2后继微地址为0000，继续取下一条机器指令微程序控制单元的设计步骤确定微程序控制方式水平微程序/垂直微程序串行执行/并行执行拟定微命令系统初步拟定微命令系统微指令格式设计微命令编码方法微地址形成方式编制微程序对微指令格式核对、审查、合并、精简，编写微程序微程序代码化将微程序转换成二进制代码写入控制存储器5.6硬布线控制器控制器是大量逻辑门电路和触发器电路构成的非常复杂而庞大的时序逻辑网络。逻辑网络的输入信号指令译码器的输出Im；执行部件的反馈Bj；时序信号节拍电位信号M节拍脉冲信号T输出信号微操作控制信号基本原理C=f(Im,Mi,Tk,Bj)硬布线控制器节拍设计执行周期取指周期执行周期节拍0节拍1节拍0节拍0节拍1节拍2节拍3节拍0节拍1节拍2送数地址硬布线控制单元设计步骤根据节拍安排，列出所有指令的微操作命令的操作时间表。若某指令在当前节拍有微操作，对应位置1。周期标志节拍微操作信号CLAADDSTAJMPNOPFE（取指）T0PC→AR→ABUS11111T1DBUS→DR→IR11111T2PC+111111ST(送数地址)T0IR→AR11EX（执行）T00→AC1IR→PC1AR→ABUS11T1PC→AR1DBUS→DR1AC→DR1T2DR→ALU1DR→DBUS1T3ALU→AC1硬布线控制单元设计步骤写出每一个微操作命令的逻辑表达式，并适当地进行化简。微操作控制信号=机器周期×脉冲×操作码×状态条件例：IR→AR=ST·T0（ADD+STA）画出组合逻辑电路图，用逻辑门电路实现。机器周期的区分：某一时刻只有一个标志触发器置1FED

STD

EXD

CLK1→FE1→ST1→EX5.8流水CPU并行处理技术时间并行时间充分利用。让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分。实现方式：流水处理部件。空间并行资源重复设置。“以数量取胜”时间+空间并行时间重叠和资源重复的综合应用。流水计算机的系统组成多体交叉存储器cache指令部件（指令I+K+1）（指令I+K）…（指令I+2）（指令I+1）执行部件（指令I）流水方式的CPU存储器体系取指令指令译码计算机操作数地址取操作数FIFO指令队列算术逻辑运算流水线非流水线时空图非流水线指令的执行过程：取指令（IF）：从内存读取这条指令。译码（ID）：将指令翻译成操作命令。执行指令（EX）：CPU个部件实际执行这条指令。回写（WB）：将执行的结果送回内存或寄存器中。非流水线时空图取指令FI译码ID执行指令EX回写WB流水线指令的执行过程指令1IF12345678指令2IDIF指令3EXIDIF指令4WBEXIDIF指令5IFWBEXIDIFIFWBEXIDIFIFWBEXIDIDIDIFWBEXEX流水线时空图标量流水计算机时空图标量流水线只有一条指令流水线超标量流水计算机时空图超标量流水线具有两条以上指令流水线流水流分类指令流水线指令步骤的并行。取指令、译码、执行、写回等。算术流水线运算操作步骤的并行。如流水加法器、流水乘法器、流水除法器等。处理机流水线：又称为宏流水线程序步骤的并行。由一串级联的处理机构成流水线的各个过程段流水线中的相关性资源相关多条指令争用同一功能部件所引发的冲突。解决办法增设相关资源某争用指令暂缓一拍流水线中的相关性数据相关指令执行顺序上存在的先后制约关系ADDR1，R2，R3；（R2）+（R3）→R1SUBR4，R1，R5；（R1）-（R5）→R4ANDR6，R1，R7；（R1）∧（R7）→R6写后读相关RAW数据相关的三种类型写后读相关：RAW读后写相关：WAR写后写相关：WAW[例4]判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关写后写WAW读后写WAR写后读RAW(R4)+(R5)→R3ADDR3，R4，R5I6(R1)×(R2)→R3MULR3，R1，R2I5第三组(R4)+(R5)→R3ADDR3，R4，R5I4(R3)→M(x)M(x)是存储单元STAM(x)，R3I3第二组(R1)-(R5)→R4SUBR4，R1，R5I2(R2)+(R3)→R1ADDR1，R2，R3I1第一组解决：设置运算结果缓冲寄存器，暂存运算结果，以备后继指令使用——向前传送（定向传送）流水线中的相关性控制相关由转移指令