第6章+中央处理器

第6章中央处理器6.1CPU的功能及组成6.2指令的执行过程6.3时序部件6.4微操作控制器6.5CPU6.6多媒体CPU6.7CPU结构举例1当前世界上大多数计算机的中央处理机由下述两种方法实现：(1)采用半导体公司(工厂)生产的微处理器构成通用的或专用的计算机系统以及工作站等。(2)一些计算机公司采用自行设计制造的芯片来构成大、中、小型计算机的CPU。Intel80386微机系统框图及功能如下：6.1CPU的功能及组成2Intel80386微机系统框图是系统中主要的处理、控制部件，从存储器中取出的指令主要在80386中处理机器加电由它产生整机复位信号(reset)，使计算机各个部件处于初始状态扩充了80386指令系统，主要完成浮点运算和高精度整数运算。80386自动将取得的协处理器指令传送给80387。80386通过总线与存储器、I／O设备交换信息存放数据、指令以及完成输入输出操作的系统。CPU与I／O设备之间传送信息时由于CPU的速度比I／O设备快，为了不浪费CPU时间，CPU采取分时并行工作。3Intel80386包括指令部件、执行部件和存储管理部件等。指令部件完成取指及指令译码功能，并产生控制信号执行部件包括ALU、乘法部件、寄存器组等存储管理部件用来确定存储器地址。80386结构及外部连线4Intel80386引出端信号

32位数据总线，是传送数据的双向总线是32位地址线，其中A0，A1在80386内部转换成“字节使能”分别是字节0～字节3的选择信号，符号＃表示低电位有效。输入到80386的时钟总清或复位信号5中央处理器—CPU冯诺依曼机运算器、控制器、存储器、输入/输出设备CPU的定义运算器+控制器运算器：实施算术逻辑运算，ALU控制器：计算机的指挥中心，对程序规定的控制信息进行分析、控制和协调，使计算机中各个部件协同工作控制器：取指、译码、数据流控制6中央处理器—CPUCPU的功能指令控制：控制指令序列的执行操作控制：控制单个指令执行和部件间协同时序控制：控制操作信号的时间序列数据加工：算术和逻辑运算运算器与控制器的功能集合7中央处理器—CPU★寄存器的组织和功能★数据通路8寄存器缓冲寄存器DRCPU与主存、外设的信息中转（数据、指令）数据缓冲，补偿CPU与主存、外设间的时序差异为算术逻辑部件提供另一个操作数9寄存器指令寄存器IR保存当前执行的指令10寄存器地址寄存器AR当前访问的存储器地址或I/O端口地址11寄存器程序计数器PC

下一条指令在主存中的地址顺序执行即可累加，累加值决定于指令字长分支转移指令需视寻址方式确定PC值12寄存器累加寄存器AC数据源于缓冲寄存器或ALU为ALU提供操作数13寄存器状态寄存器PSW保存执行各类指令产生的状态结果作为后续指令的判断条件14操作控制器数据通路寄存器之间传送信息的通路操作控制器在寄存器之间建立数据通路硬布线控制器微程序控制器可编程逻辑阵列建立怎样的数据通路、何时建立15指令的执行过程取指译码执行16指令周期指令周期CPU从主存取出一条指令到指令执行完毕机器周期（CPU周期）指令周期的不同阶段划分为多个机器周期时钟周期（节拍、T周期）CPU处理操作的最小时间单位17时序部件时序部件产生计算机执行机器指令过程中的时序信号产生过各个机器周期中的节拍信息18机器周期（取指）机器周期（执行指令）指令周期T1T2T3

T4T2T3

T4T1机器周期（取指）机器周期（执行）指令周期T1T2T3

T4T2T3

T1定长机器周期组成的指令周期

不定长机器周期组成的指令周期

19指令周期由若干个机器周期（CPU周期）组成。所有指令周期的第一个机器周期都为取指周期。每个机器周期又由若干个节拍（时钟周期）组成。根据指令操作的复杂程度不同，各种指令所需的机器周期也不同。204条典型指令组成的一个简单程序

指令地址（八进制）指令内容（八进制）助记符020250000CLA021030030ADD30022021031STAI31023140021JMP21024000000HLT…………030000006031000040…………040xxxxxx

；

结果数据将累加器清零，属非访存指令加法，属直接访存指令存数操作，属间接访主存指令程序控制指令21不需访存指令的指令周期(CLA)需要2个机器周期。第1个机器周期用来进行取指和译码操作第2个机器周期用于指令的执行操作。在指令执行阶段，CPU根据译码器输出的结果，进行指令所需的操作。非访主存指令的执行过程如下图22取指令PC+1PC指令译码执行指令取下一条指令第1周期取指译码第2周期指令执行①②③23地址

指令或数据020250000;CLA021030030;ADD022031;STA023140021;JMP024000000;HLT状态寄存器累加器020020250000250000指令译码器操作控制器时序发生器……主存储器数据总线地址总线CPU+1微指令时钟状态反馈ALU程序计数器地址寄存器缓冲寄存器指令寄存器取出CLA指令数据通路020020250000;CLA250000250000250000CPU识别是一条非访存CLA指令指令执行阶段CLA控制信号00000024直接访存指令的指令周期(ADD30)需要3个机器周期。第1个机器周期用来进行取指和译码操作第2个机器周期用于送操作数地址。第3个机器周期进行取操作数和执行加法操作。直接访主存指令的执行过程如下图25取指令PC+1PC指令译码送操作数地址取操作数取指译码指令执行执行指令取下一条指令第1个机器周期第2个机器周期

第3个机器周期26地址

指令或数据020250000;CLA021030030;ADD022021031;STA023140021;JMP024000000;HLT状态寄存器000000022250000250

000指令译码器操作控制器时序发生器……主存储器数据总线地址总线CPU微指令时钟状态反馈ALU程序计数器地址寄存器缓冲寄存器指令寄存器…累加器送操作数地址的数据通路021030+1………27地址

指令或数据020250000;CLA021030030;ADD022021031;STA023140021;JMP024000000;HLT状态寄存器000000022250000250

000指令译码器操作控制器时序发生器……主存储器CPU微指令时钟状态反馈ALU程序计数器地址寄存器缓冲寄存器指令寄存器…累加器021030+1地址

指令或数据024000000

030000006031000040040xxxxxx

状态寄存器022030ADD

030指令译码器操作控制器时序发生器…①…主存储器数据总线地址总线CPU微指令时钟状态反馈ALU程序计数器地址寄存器缓冲寄存器指令寄存器……030030000006000006000000000006取操作数和指令执行28间接访问主存指令(STAI31)第3条为STAI31指令，是一条间接访问主存的指令由4个机器周期组成。取指、译码送地址指针取操作数地址存储结果29取指PC+1PC指令译码送地址指针取出地址取指译码指令执行执行指令第1个机器周期第2个机器周期第3机器周期第4个机器周期取操作数取下一条指令30送地址指针地址指令或数据024000000

030000006031000040040xxxxxx

状态寄存器000006STI031指令译码器操作控制器时序发生器…主存储器数据总线地址总线CPU微指令时钟状态反馈ALU程序计数器地址寄存器缓冲寄存器指令寄存器………031+1023取操作数地址000040存储结果000006040至此：STAI031指令结束31程序控制指令（JMP21）无条件转移指令无条件把PC的值修改为021JMP可以是直接寻址，也可以是间接寻址。如下图所示：32取指PC+1PC指令译码送转移地址取下一条指令取指译码指令执行第1个机器周期第2个机器周期

33地址

指令或数据020250000;CLA021030030;ADD022021031;STA023140021;JMP024000000;HLT状态寄存器023指令译码器操作控制器时序发生器……主存储器数据总线地址总线CPU微指令时钟状态反馈ALU程序计数器地址寄存器缓冲寄存器指令寄存器…累加器023+1………024第一个机器周期结束第二个机器周期结束140021;JMP34指令周期流程图PCARABUSDBUSDRIR，PC+1译码0ACIRARIRAR（AR）ARIRPCPCARRDCLAADDSTAIJMP开始ARABUSDBUSDRDRALUALUACRDWE取指周期ARABUSACDRDRDBUS公操作：表示一条指令已经执行完毕，CPU所开始进行的一些操作，主要是CPU对外设请求的处理，若没有外设请求，转入“取指令操作”。35操作控制器数据通路寄存器之间传送信息的通路操作控制器在寄存器之间建立数据通路硬布线控制器

微程序控制器可编程逻辑阵列366.3时序部件节拍电位发生器计算机中最基本的信号。代码传送、运算节拍脉冲发生器代码选通，是额外的信号一般是节拍做准备，脉冲来工作。脉冲源脉冲源：机器主频，产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号。376.4微操作控制器控制器和运算器一起组成了CPU，即中央处理器，控制器是整台计算机的指挥系统。指挥和控制全机的各个部分，使他们有条不紊的工作。本节内容对建立计算机的整机概念十分重要。38

控制器的功能计算机对信息进行处理(或计算)是通过程序的执行而实现的，程序是完成某个确定算法的指令序列，要预先存放在存储器中。控制器的作用是控制程序的执行，它必须具有以下基本功能：1.取指令程序执行前，把其首地址送PC，根据PC的值，到内存中去取出指令放到IR中，同时，PC+1→PC，或转移地址→PC，这样自动形成后继指令的地址，取指过程完成。

392.分析指令指令在IR中进行分析，对操作码部分译码后，送至微操作序列形成部件，形成指令所对应的一系列微操作，地址码部分送至地址形成部件，形成操作数的有效地址。3.执行指令从有效地址中取出操作数，并按操作性质完成指令代表的各种操作。计算机不断重复，顺序的执行上述三种基本操作，直至遇到停机指令或外来干预为止。40图6.3控制器基本组成框图

41微指令

在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。

微命令

控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令

微操作

执行部件接受微命令后所进行的操作

微程序

一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列通常叫做微程序保存在只读存储器内的专用程序代替逻辑控制电路，以微程序形式保存控制信号42微指令与微程序程序

‘=’一系列的机器指令机器指令

‘=’受控的数据通路和操作时序微命令

‘=’控制部件向执行部件发出的控制命令微操作

‘=’执行部件接受命令后进行的操作微程序控制的基本思想：把操作控制信号编成所谓的微指令，存放于只读存储器中。当机器运行时读出微指令，产生各种操作控制信号，使相应部件执行规定的操作。43微指令与微程序微指令：一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合。微程序：一条机器指令的功能是用多条微指令组成的序列实现的，这个序列称为微程序。微程序控制器：以保存在只读存储器内的专用程序代替逻辑控制电路，这种只读存储器被称为控制存储器，它以微程序形式保存控制信号。这种控制器称为微程序控制器。44微指令与微程序微指令实例：输出换行、回车字符M_CRLFMACROMOV DL，0AHMOV AH，02HINT 21HMOV DL，0DHINT 21HADD AH，DLENDMIR→ARAR→ABUSDBUS→DR……45微指令与微程序46微指令基本格式。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。LDR1LDR3R1YR2YR3YMRDLDIRPC+1

LDR2

R1XR2XDRX+―LDDRLDAR

P1P2

直接地址操作控制顺序控制1234567891011121314151617181920212223

用来发出管理和指挥全机工作的控制信号决定产生下一条微指令的地址47微指令与微程序存放实现指令系统的微程序为只读型决定要访问的下一条微指令的地址保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息微地址：微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址。地址转移逻辑微程序举例：见教材18948微指令与微程序机器指令与微指令的关系一条机器指令对应一个微程序，后者由若干条微指令序列组成。换言之，一条机器指令的操作被划分为若干微指令完成。指令与主存相关，微指令与控制存储器相关。指令对应指令周期，微指令对应机器周期（CPU周期）49微指令格式分类有两种类型：（1）水平型微指令

指一次能定义并执行多个并行操作控制信号的微指令，是一种速度最快的微指令格式。前面所介绍的直接表示法、编码表示法和混合表示法三种编码方式的微指令都属于水平型微指令。（2）垂直型微指令指采用类似机器指令结构的微指令，一条垂直型微指令中只有1~2个微操作命令，控制1~2种微操作，这种微指令不强调并行控制功能。垂直型微指令设置有微操作码字段，由微操作码规定微指令的功能。一种16位的垂直型微指令的结构如下：50水平型微指令与垂直型微指令的比较(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则差。(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。(3)由水平型微指令解释指令的微程序，具有微指令字比较长，但微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字比较短而微程序长。(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。51

1、冯·诺依曼型计算机结构

◆

1946年，冯·诺依曼提出存储程序的概念和一个完整的现代计算机的雏型，该结构以运算器为中心，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，指令与数据存放在存储器中，所有的输入/输出活动都必需经过运算器，如图所示。中央处理器中流水线技术的基本概念并行性的概念52

并行性是指在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。在时间上相互重叠，均存在并行性。

n位串行进位的并行加法器存在“并发性”；读写由8片存储芯片（如2164）组成8位存储器，存在“同时性”；2、并行性定义并行性同时性两个或多个事件在同一时刻发生并发性两个或多个事件在同一时间间隔内发生3、并行性的等级

从程序执行的角度可划分为4个级别：53指令内部级

指令内部微操作之间的并行指令级并行执行两条或多条指令

任务级或过程级并行执行多个过程或任务（程序段）作业级或程序级在多个作业或程序间的并行单机系统软件实现硬件实现

从数据处理的角度可分为4个级别：字串位串

同时只对一个字的一位进行逐位处理，最基本的串行处理字串位并

同时对一个字的所有位进行处理，但字与字之间串行处理字并位串

同时对多个字的同一位进行处理字并位并

同时对多个字的所有位或部分位进行处理54

（1）时间重叠

时间