第6章中央处理部件CPU

1第六章

中央处理单元

CenterProcessingUnit

简称CPU26.1CPU内部的组成中央处理器简称CPU，是计算机系统的核心。主要功能：程序的执行（指令控制），信息的处理（数据加工），操作控制，时间控制，I/O设备的控制。组成：运算器，寄存器，控制器，时钟电路，（某些CPU中还包括一定容量的ROM、RAM存储器）3通用寄存器组运算寄存器ALU标志寄存器执行控制电路指令队列缓冲器IO控制电路4个段寄存器1个IP寄存器内部寄存器外围总线中央处理器的基本结构与组成46.2控制器的组成一、控制器的组成控制器是指挥与控制整台计算机各功能部件协同工作、自动执行计算机程序的部件。它把运算器和存储器以及I/O设备组成一个有机的系统。控制器的作用是控制程序（即指令）的有序执行。基本功能：取指令、分析解释指令、执行指令（包括控制程序和数据的输入输出、以及对异常情况和特殊请求的处理）组成：一般由指令指针寄存器IP、指令寄存器IR、指令译码器ID、控制逻辑电路和时钟控制电路等组成.5

通用寄存器GRALUDRAR6二

、指令执行过程举例1）一条加法指令的执行过程,分解成若干个基本操作：①从存储器取指令，送人指令寄存器，并进行操作码译码。程序计数器加1，为下一条指令作好准备。控制器发出的控制信号PCAB，W／R=0，M/IO=1；DBIR；PC＋l。②计算数据地址，将计算得到的有效地址送地址寄存器AR。其中rs1标志通用寄存器地址、GR表示通用寄存器、disp表示位移量。控制器发出的控制信号:rs1GR，（rs1）ALU，dispALU;“十”；ALUAR（有效地址送地址寄存器）。③到存储器取数。控制器发出的控制信号ARAB,W／R=0，M/IO=1;DBDR。（将地址寄存器内容送地址总线，同时发访存读命令，存储器读出数据送数据总线后，打人数据寄存器）。7

④进行加法运算，结果送寄存器，并根据运算结果置状态位N（负数），Z（零），V（溢出）。C（进位）。

控制器送出的控制信号rs→GR,（rs）→ALU，DR→ALU（两个源操作数送ALU）；‘十’（ALU进行加法运算）;rd→GR;ALU→rd。置N、Z，V、C（结果送寄存器，并置状态位）。以上操作需要四个机器周期机器周期：完成一种机器操作所需要的时间，以时钟周期为单位。指令周期：完成一条指令所需要的时间，以机器周期为单位。本指令为四个机器周期8（2）条件转移指令的执行过程指令功能根据N，Z，V，C的状态，决定是否转换。如转移条件成立则转移到本条指令所指定的地址，否则顺序执行下一条指令。本条指令完成以下操作①从存储器取指令，送人指令寄存器并进行操作码译码。程序计数器加1，如不转移，即为下一条要执行的指令地址。本操作对所有指令都是相同的。②如转移条件成立，根据指令规定的寻址方式计算有效地址，转移指令经常采用相对寻址方式。此时转移地址=PC＋diSP。此处PC是指本条指令的地址，而在上一机器周期已执行pc+1操作，因此计算时应取原pc值，或对运算进行适当修正。最后将转移地址送pc。

本条指令只需要两个机器同期，如转移条件成立，在第二机器周期增加一个ALU→PC信号；另外如为相对转移，则用PCALU信号取代加法指令第2周期中的（rs1）→ALU信号,其他信号与加法指令的前两个机器周期中的信号相同。96.3微程序控制计算机的基本工作原理在计算机中，一条指令的功能是通过按一定次序执行一系列基本操作完成的，这些基本操作称为微操作（完成微操作的控制信号称为微命令）。如取指令、计算地址等。微操作在执行部件中是最基本的操作。由于数据通路的结构关系，微操作可分为相容性和相斥性两种。所谓相容性的微操作，是指在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作。所谓相斥性的微操作，是指不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作。

微指令：在微程序控制的计算机的一个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。一条机器指令由若干条微指令(微程序）组成，一条微指令由由若干条微命令组成。

微程序：计算机每条指令的功能均由微指令序列解释完成，这些微指令序列的集合就叫做微程序。执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。

控制存储器：控制存储器是存放微程序的存储器，由于该存储器主要存放控制命令及下一条执行的微指令的地址（简称为下址），所以称为控制存储器。由于机器内控制信号数量比较多，再加上决定下址的地址码有一定宽度，所以控制存储器的字长比机器字长要长得多。

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2.微程序控制器微程序控制器的基本工作原理如下当指令取入IR中以后，根据操作码进行译码，得到相应指令的第一条微指令的地址、在图610中当执行加法指令时译码得到的地址为1001，当执行减法指令时，译码得到的地址为1004,…，当执行条件转移指令时，译码得到的地址为1100之后，都由微指令的下址字段指出下一条微指令的地址。指令译码部件可用只读存储器组成，存放所对应的微程序在控制存储器中的入口地址,将操作码作为只读存储器的输入地址，即获取微程序首地址。微指令分成两部分，产生控制信号的部分一般称为控制字段，产生下址的部分称为下址字段。控制字段各位的输出通过连接线直接与受控制的三态门(与/或门)相连，产生微操作所需要的控制信号。11微程序控制器简框图IR形成本条指令的微程序入口地址

微指令寄存器操作码地址码指令译码控制存储器控制字段下一条地址123、时钟控制电路

——为每条指令按时间顺序执行提供基准信号

时钟控制电路由时钟脉冲发生器(石英晶体振荡器)和启停控制电路组成。石英晶体振荡器产生一定频率的时钟脉冲信号，作为整个机器的时间基准源。主频称为主机振荡频率，具体分为CPU内部频率和外部频率（总线频率），它的高低取决于这台计算机的CPU的适应能力。时钟周期：主频的倒数,表示相邻脉冲的时间间隔，通常称为节拍脉冲或T周期。它是处理操作的最基本单位。指令周期：取出并执行一条指令所需要的时间。机器周期：将指令周期划分成几个时间段，每个阶段称为一个机器周期，也称为CPU周期。三级时序举例： 时钟周期≤机器周期≤指令周期136.4微程序设计技术在实际进行微程序设计时还应关心下面三个问题:如何缩短微指令字长；如何减少微程序长度；如何提高微程序的执行速度。这就是在本节所要讨论的微程序设计技术。

1、控制字段编译法：（1）直接控制法：在微指令的控制字段中，每一位代表一个微命令，‘1’或‘0”代表打开或关闭某个控制门。缺点：微命令位数太多。（2）字段直接编译法：将一组互斥的微命令通过编译器来选择其中的一个微命令起作用。如：3位可控制4~7个微命令14

（3）字段间接编译法在字段直接编译法中，还规定一个字段的某些微命令要兼由另一字段中的某些微命令来解释。称为字段间接编译法。如RD、WR与MREQ或IORQ相组合，形成MEMR或IOR、2、产生后继微指令地址一般有两种方法：（1）由指令操作码译码器产生后继微地址（2）由微指令的下址宇段指出后继微地址（3）由控制测试字段BCF产生下址3、微指令的分成两类：水平型微指令和垂直型微指令。（1）水平型微指令：一条微指令中定义并执行多个井行操作微命令。用直接控制法、字段编译法（直接、间接编译法）产生控制字段。直接控制法最快，字段编译法要经过译码所以会增加一些延迟时间。格式如下：控制字段判别测试字段下地址字段15

2.垂直型微指令采用微操作码规定微指令的功能，称为垂直型微指令。其特点是不强调实现微指令的并行控制功能，通常一条微指令只要求能控制实现一二种操作。这种微指令格式与机器指令相似。如垂直型微指令格式：1、R-R传送型微指令

2、访问主存微指令000

源寄存器编址目标寄存器编址

其他010寄存器编址存储器编址读写其他16

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。在一条垂直型微指令中，一般只能完成一个操作控制一两个信息传送道路，因此微指令的并行操作能力低，效率低。（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。17

6.5硬布线控制的计算机控制器按控制信号的产生可分为类：1）微程序控制器：执行微指令产生控制信号2）硬布线控制器：通过逻辑电路（与、或、异或门、非门、时序电路（D触发器、三态门、计数器等）产生控制信号的，所以又称为组合逻辑控制器。相同点：仅控制信号的产生方式不同，控制器的其他组成部分诸如时钟、启停电路、程序计数器、指令寄存器以及电路配合问题等等，则相同。不同点：1）微程序控制器的控制功能由执行存放在控制存储器微程序实现，而硬布线控制则由逻辑门组合实现。2）前者电路比较规整，易增加或修改指令，后者电路设计零乱且复杂，不易修改。18

2、在性能上微程序控制的速度比硬布线控制的速度低，而硬有线逻辑主要取决于电路延迟，如，往往采用硬布线逻辑。近年来在一些新型CPU和计算机结构（RISC）中，一般选用硬布线逻辑。19

6.6控制器的控制方式按形成时序控制信号的方法有：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。1.同步控制方式：指令在执行时所需的机器周期和时钟周期都是固定不变的，称为同步控制方式。在程序运行时任何指令的执行或指令中每个微操作的执行都受事先确定的时序信号所控制，每个时序信号的结束就意味着一个微操作或一条指令已经完成,随即开始执行后续的微操作或自动转向下条指令的运行。2.异步控制方式：当控制器发出进行某一微操作控制信号后，等待执行部件完成该操作后发回的‘回答’信号或结束信号，再开始新的微操作。即每条指令，每个微操作需要多少时间就占用多少时间。微操作序列没有固定的周期节拍和严格的时钟同步。20

3.联合控制方式：同步控制和异步控制相结合的方式。对不同指令的各个微操作实行大部分统一，小部分区别对待的方式。即大部分微操作安排在一个固定机器周期中，并在同步时序信号控制下进行；而对那些时间难以确定的微操作则以执行部件送回的‘回答’信号作为本次做操作的结束。

4.人工控制

为了调机和软件开发的需要，在计算机面板或内部往往设置一些开关或按键以进行人工控制。最常见的有reset按键、连续执行或单条指令执行的转换开关、符合停机开关等。216.7流水线工作原理冯·诺依曼型计算机工作原理依序逐条执行程序指令———串行的工作方式例如，加法指令执行过程如下：特点：控制简单，速度低，机器各部件利用率低。例如，在取指令时译码器和运算器等都空闲，而在存结果时其它部件也在空闲。若能把程序中的多条指令在时间上重叠起来执行会否显著提高机器速度呢？这种工作方式称为流水线处理。取指1译码1取数1运算1存数1取指2译码2取数2运算2存数2…....22指令的重叠执行——流水线工作原理五条指令流水线处理重叠执行情况：

T1T2T3T4T5——机器执行时间取指1译码1取数1运算1存数1取指2译码2取数2运算2存数2取指3译码3取数3运算3存数3取指4译码4取数4运算4存数4取指5译码5取数5运算5存数5

由上可见，若将一条指令的执行时间分为五段,每段所用时间为T，则一条指令执行时间为5T。串行工作执行n条指令的时间为5nT并行工作执行n