计算机组成与体系结构 课件 09CPU组织

CPU组织计算机组成与体系结构CPUCentralProcessingUnit主要构成运算器控制器高速缓存Cache数据通路（内部总线）……CPU的功能指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，严格按程序规定的顺序进行，因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。操作控制：一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而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，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。数据加工：所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，是CPU的根本任务，因为，原始信息只有经过加工处理后才能对人们有用。CPU的基本组成运算器：数据加工算术逻辑单元ALU累加寄存器（或通用寄存器）数据缓冲寄存器状态条件寄存器控制器：发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作程序计数器指令寄存器、指令译码器时序产生器操作控制器控制器的主要功能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。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。指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。简化的CPU视图寄存器组织用户可见寄存器（User-VisibleRegister）允许机器语言或汇编语言的编程人员通过优化寄存器的使用而减少对主存的访问。控制和状态寄存器（ControlAndStatusRegister）用来控制CPU的操作并被特权的操作系统程序用于控制程序的执行。用户可见寄存器通用寄存器（GeneralPurposeRegister）可被程序员指派各种用途。有时，它们在指令集中的使用是正交于操作的，即任何通用寄存器能为任何操作码容纳操作数。这提供了真正通用的意义。条件代码（ConditionCodes）寄存器，也被称为程序状态字（ProgramStatusWord，PSW），CPU硬件设置这些条件位作为操作的结果。存储数据寄存器仅可用于保持数据而不能用于操作数地址的计算。存储地址寄存器可以是自身有某些通用性，或是专用于某种具体的寻址方式。控制和状态寄存器程序计数器（PC）：含有待取指令的地址。指令寄存器（IR）：含有最近取来的指令。存储地址寄存器（MAR）：含有存储器位置的地址。存储缓冲寄存器（MBR）：也称为存储数据寄存器（MDR），含有将被写入存储器的数据字或最近读出的字。寄存器组织示例x86EFLAGSRegister简单CPU模型操作控制器作用：根据指令，产生对应的控制信号类型硬布线控制器，它是采用组合逻辑控制器来实现的，它的优点是速度快，缺点是结构不规整，设计、调试、维护较困难微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的，优点是设计规整，调试、维护、扩充指令方便控制器的时序系统计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号来体现的。一般来说，控制器发出的各种控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部件位置）的函数。时序产生器的作用就在于将各种控制信号严格定时，使多个控制信号在时间上相互配合完成某一功能。指令执行的基本过程取指令阶段取指令阶段对所有指令都是相同的，它是将程序计数器（PC）的内容作为地址去读内存，将该单元的内容即指令读出送往指令寄存器（IR）。同时PC的内容自增，指向下一条指令，也就是说取指令是一次内存的读操作。取操作数阶段取操作数仅针对操作数存放在内存的情况。由于寻址方式的不同（直接、间接、基址、相对、变址等），取操作数的过程也大不相同，取操作数是一次或多次内存的读操作，还可能包括操作数地址的计算（如变址、基址、相对等）。执行指令阶段执行指令是根据指令操作码对操作数实施各种算术、逻辑及移位操作。对于结果地址在内存的，还应包括一次内存的写操作。对于转移指令或子程序调用及返回等指令，应对PC的内容进行更新。控制器的基本控制方式指令的繁简程度不同，所需要的执行时间也有很大差异。如何根据具体情况实施不同的控制，就是控制方式所需要解决的问题基本方式同步控制方式异步控制方式准同步控制方式同步控制方式系统有一个统一的时钟，所有的控制信号均来自这个统一的时钟信号同步控制方式又可分为以下几种定长指令周期定长CPU周期变长CPU周期、定长节拍周期折中方式异步控制方式异步控制方式中没有统一的时钟信号，各部件按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络异步控制相对于同步要复杂实例：内存或I/O设备的Ready信号准同步控制方式又称为联合控制方式，是介于同步异步中间的一种折中，或者说是异步方式的同步化准同步方式是CPU进行内存的读/写操作和I/O数据传输操作通常采用的方式，较好地解决了同步与异步的衔接问题组合逻辑控制器的时序系统指令周期、CPU周期、节拍周期和节拍脉冲组合逻辑控制器的时序产生器微程序控制器的时序系统与组合逻辑控制器的时序系统相比，微程序控制器的时序系统要简单得多在微程序控制方式中，是将一条机器指令转化为一段有微指令组成的微程序微指令的读取和执行所用的时间定义为微程序控制器的基本时序单位，称为“微周期”微程序控制器的时序系统模型机数据通路模型机指令系统寻址字段第3、2、1、0位寻址方式及相关寄存器0000寄存器寻址AX0001寄存器寻址BX0010寄存器寻址CX0011寄存器寻址DX0100寄存器间接寻址[BP]0101寄存器间接寻址[BX]0110寄存器间接寻址[SI]0111寄存器间接寻址[DI]1000立即寻址，双字长指令，第二字为立即数imm1001未定义1010直接寻址，双字长指令，第二字为Addr1011间接寻址，双字长指令，第二字为[Addr]1100基址寻址，双字长指令，第二字为disp，[BP+disp]1101相对