《计算机组成原理教学课件》第5章 中央处理部件cpu（mips）

第5章中央处理部件CPU

苞年同滁--------

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5.1CPU的组成

5.2控制器的组成

5.3组合逻辑（硬布线）控制器

5.4微程序控制器

5.5微程序设计技术

5.6CPU内部数据通路结构及指令执行

5.7流水线工作原理

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1907-2007主要知识点

百年◎帘-------------------------------------

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■从CPU的功能，了解控制器功能和结构

■掌握控制器的主要组成部件

■掌握组合逻辑（硬布线）控制的特点及工作原理

■掌握微操作的概念

■掌握微程序控制器的实现原理及工作原理

■掌握控制器在不同的数据通路下，如何控制一条指

令的执行

■流水线工作原理

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5.1CPU的组成

苞年◎称

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中断设备

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CPU的组成

百年◎帘----------------

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1.运算部件ALU

2.寄存器

(1)用于处理的寄存器

■通用寄存组

■暂存器

(2)用于控制的寄存器

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5.1CPU的组成

苞年◎称

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3.用于主存和I/O接口的寄存器

(1)地址寄存器AR

(2)数据寄存器DR

4.总线

5.时序系统及微操作命令产生部件

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1907-20075.2控制器的组成

苞年同滁---------------------------------------

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5.2.1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。所以，计算机的工作

过程是程序的运行过程，也就是在控制器下逐条执

行指令的过程。

控制器的基本功能：就是控制机器各部件执行指令

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L取指令

当程序已在存储器中时，首先由控制器根据程

序入口取出第一条指令，为此要发出指令地址及控

制信号，把指令从内存取到CPU中。

2.分析指令

或叫解释指令、指令译码等。是对当前取得的

指令进行分析，指出它要求作什么操作，并产生相

应的操作控制命令，如果参与操作的数据在存储器

中，还需要形成操作数地址。

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3.执行指令

根据分析指令时产生的“操作命令”和“操作数

地址”形成相应的操作控制信号序列，通过CPU及输

入输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中还

包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。

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计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作：

取指、分析、执行；再取指、再分析、再执行……,

如此循环，直到遇到停机指令或外来的干预为止。

此外，程序和数据要输入机器，运算结果要输

出，机器运行过程中出现的某些异常情况或请求要

进行处理，人与机器之间要进行对话，因此控制器

还应该具有以下功能・

4.控制程.和数据的熹入与结果输出

根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向

输入输出设备发出一些相应的命令来完成I/O功能，

这实际上也是通过执行程序来完成的。

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5.对异常情况和某些请求的处理

当机器出现某些异常情况，此时由这些部件或

设备发出：（1）“中断请求”信号，待CPU执行完当

前指令后，响应该请求，中止当前执行的程序，转

去执行中断程序。当处理完毕后，再返回原程序继

续运行下去。或（2）DMA请求信号，等CPU完成当前机

器周期操作后，暂停工作，让出总线给I/O设备，在

完成I/O设备与存储器之间的传送数据操作后，CPU

从暂时中止的机器周期开始继续执行指令。DMA操作

不允许改变CPU中任一寄存器状态（除DMA专用部件

外），否则会影响CPU工作的正确性。

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5.2.2控制器的组成

1.程序计数器(PC)

即指令地址寄存器。用来存放即将要执行的下

一条指令地址。

有两种方法形成下一条指令地址：

(1)程序在顺序执行时，通过对PC的增值形成下

一条指令地址。

(2)程序在非顺序执行时，一般由转移指令形成

下一条指令地址对PC进行修改。

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控制器的组成结构图

苟年电称

TONGJIUNIVERSITY指令转移地址

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5.2控制器的组成

高年◎薇

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2.指令寄存器(IR)

用以存放当前正在执行的指令，以便在指令执

行过程中，控制完成一条指令的全部功能。

3.指令译码器或操作码译码器

对指令寄存器中的操作码进行分析解释，产生

相应的控制信号。

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控制器的组成结构图

苞年◎称

TONGJIUNIVERSITY指令转移地址

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在执行指令过程中，需要形成有一定时序关系

的操作控制信号序列，为此还需要下述组成部分。

4.脉冲源及启停线路

脉冲源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，

在机器刚加电时，还应产生一个总清信号(reset)。

启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时

序信号的发生或停止，从而启动机器工作或使之停

机。

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5.2控制器的组成

苞年电将

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5.时序控制信号形成部件

当机器启动后，在CLK时钟作用下，根据当前正

在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号，

并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号o

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5.2.3机器指令执行过程

1.PC中的内容送入地址寄存

器AR,并向内存发读命令，

从内存将这条指令读入IR,

修改PC。

2.指令译码器分析指令的操

作性质及操作数形成地址，

以便向存储器、运算器等发

出响应的微操作命令序列。

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5.2控制器的组成

苞年同滁------------------

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3.如是操作类指令，需要

内存提供数据的话，控制

器就根据寻址方式形成有

效地址送入AR,并向内存

发读命令。

4.从内存取出的运算数据

送入ALU并随即命令运算

器对数据进行操作。

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5.2控制器的组成

苞年电将

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5.操作结果送入通用寄存器

或内存。

6.一条指令执行完毕，控制

器接执行指令计数器PC指

出的下一条指令，在顺序

执行的情况下，是在上条

指令被取出以后，PC内容

加1。在非顺序执行的情况

下，比如转移，就跳过4、

5步，将转移地址写入PC。

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7.一条指令执行完检测是否

有中断（异常），有转入

处理程序，转回第一步，

取下一条指令。

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指令执行过程举例

运算器由8个通用寄存器GR及一个算逻运算部

件ALU组成，并有4个记忆运算结果状态的标志触发

器N,Z,V和C。

■N（负数）：当运算结果为负数时，置“1”，否则为

“0”。

■Z（零）：当运算结果为零时，Z=l,否贝！|Z=0。

■V（溢出）:当运算结果溢出时，V=l,否贝!|V=0。

■C（进位）：当加法运算产生进位信号或减法运算产

生借位信号时，C=l,否则C=0。

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百年◎帘-------

TQNGJIUNIVERSITY4…-

假设指令格式:D31D24D23-D20D19-D16D15DO

操作码rs,rdImm(disp)

ADDAL,SIE1000H]；AL-AL+[SI+1000H]

D31D24D23-D20D19-D16D15DO

ADDALSI1000H

(1)一条加法指令的执行过程

加法指令完成以下操作

①从存储器取指令，送入指令寄存器，并进行操作码

译码(分析指令)。

PC-AB,W//R=O,M//IO=1,DB->IR,PC+1

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指令格式：

D31D24D23-D20D19-D16D15DO

操作码rs,rdrslImm(disp)

②计算数据地址，将计算得到的有效地址送地址寄存

器AR。

rsl—GR,(rsl)fALU,disp—ALU,，ALU—AR

③到存储器取数。

ARfAB,W//R=O,M//IO=1,DB—DR

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假设指令格式：

D31D24D23-D20D19-D16D15DO

操作码rs,rdrslImm(disp)

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,Z,V,Co

rs—GR,(rs)-ALU,DRfALU,“+”，rd—GR,ALU—rd,

置N,Z,V,C状态位。

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（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。

假设指令格式：

D31D24D23-D20D19DO

操作码rslImm(disp)

本条指令完成以下操作:

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5.2控制器的组成

高年◎称一

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指令格式:

D31D24D23-D20D19DO

JNZBP2000H

①从存储器取指令，送入指令寄存器，并进行操作码

译码。

PC—AB,W//R=0,M//I0=l,DB-IR,PC+1

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，转移指令采用编址寻址方式。

此时转移地址=rsl+disp

rsl^GR,(rsl)^ALU,disp-ALU,+,ALU—PC

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J

:

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AP

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5.2.4控制器的控制方式

1.同步控制方式

计算机执行的每条指令操作都是在相同的时间里

完成。

2.异步控制方式

计算机执行的每条指令操作不是在相同的时间里

完成的，而是根据前一条指令操作是否已完成的

“完成”信号来控制。

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3.联合控制方式

对大多数的指令采用同步控制方式，对个别少数

无法采用同步控制方式的指令，采用区别对待的办

法，在时间上给予延长。

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5.2.5控制器的组成方式

1.组合逻辑控制器

组合逻辑控制器是以逻辑代数为工具进行设计的,

是由各类门电路构成。

2.微程序控制器

微程序控制器是用微程序设计的方法设计的，是

由微程序存储器和门电路构成。

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1907-20075.2控制器的组成

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苞年电将

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2.基于双总线的数据通路

至U

内

存

Genablc

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5.2控制器的组成

苞年◎称

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3.基于专用通路结构的数据通路

RR/WR/W

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4.单周期和多周期处理器数据通路

单周期处理器是指所有的指令在一个时钟周期内完成

的处理器，尽管不同指令执行时间不同，但对单周期处理

器而言，时钟周期必须设计成对所有指令都等长。

注意：在单周期处理器中，一条指令执行过程中数据通路

的任何资源都不能被重复使用，因此，任何需要被多次使

用的资源（如加法器）都需要设置多个，否则就会发生资

源冲突，这是设计单周期处理器中数据通路时必须考虑的

重要环节。

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5.2控制器的组成

苞年电将

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多周期处理器是指指令可根据执行的时间长度，在一

个时钟周期或多个时钟周期内完成的处理器，所以，对不

同指令执行时间，对多周期处理器而言，指令所用的时钟

周期数也不同。

注意：在多周期处理器中，一条指令执行过程中数据通路

的任何资源都能被重复使用，因此，任何需要被多次使用

的资源（如加法器）可设置一个，在不同的时钟周期中被

使用。

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5.2控制器的组成

高年◎称

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T

时钟

指令取指、译码、计算地址和执行

T1-----------------------T2-----------------------T3-----------------------T4

时钟

N—取指—4•一译码一小一计算地址一+—执行

1111

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5.3.1时序与节拍

一条指令的实现可分成取指、计算地址、取数

及执行等几个步骤，对于多周期处理器在大部分情

况下，每一步由一个机器周期实现。对于单周期处

理器来说，所有操作就在一个机器周期中实现。

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5.3组合逻辑控制器

苞年◎称

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译码器

计数器cyA

CLK---------------

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苞年同滁------------------------------------------------

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四个节拍cyl、cy2、cy3>cy4可形成四个周期

cyl---取指

■cy2---计算地址

■cy3---取数

■cy4---执行

每次启动时总是cyl有效，就是取指，然后再是其它周期。

由于每条指令的功能不同，所以每条指令所需的周期数可能

就不同。对于多周期处理器：

指令周期是由若干个机器周期构成

机器周期是由若干个时钟周期构成

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5.3.2操作控制信号的产生

1.操作码译码器

指令由操作码与地址码两部分组成，其中操作

码表示当前正在执行的是什么指令。各条指令所需

实现的操作随指令而异。假如操作码有7位，则最多

可表示128条指令，一般在机器内设置一个指令译码

器，其输入为操作码（7位），输出有128根线，在任

何时候，有且仅有一根线为高电位，其余均为低电

位（或反之，即一根线为低电位，其余为高电位），

每根输出线表示一条指令，因此译码器的输出可以

反映出当前正在执行的指令。

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5.3组合逻辑控制器

苞年◎称

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由译码器的输出和机器周期状态cyl〜cy4作为

输入，使用逻辑电路产生操作控制信号，其框图如

图所示。实际上为了简化逻辑,译码器与组合逻辑

是结合在一起设计的。

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5.3组合逻辑控制器

高年◎称

TONGJIUNIVERSITY指令寄存器IR

操作码地址码

1

译码器

127

cyl

cy2

cy3组合逻辑电路

cy4

n

操作控制信号

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1.根据指令功能设计数据通路

根据指令功能列出完成每条指令功能所需的部

件，用部件关系表将每个部件的数据来源列出，根

据关系表用连线将每个部件连接起来，设计出初步

的数据通路。

2.绘制指令流程图

根据初步安排好的数据通路结构，把每一条机

器指令都分解为一系列的微操作，并排列为有先后

次序、互相衔接的指令流程图。

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1907-20075.3组合逻辑控制器

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3.编排指令操作时间表

依据各条机器指令的操作流程图及控制方式，

将每个微操作安排到周期节拍中。

4.进行微操作综合

按照所有机器指令的操作时间表，把相同的微

操作综合起来，得到每个微操作的逻辑表达式。

5.根据各微操作的逻辑表达式以及所用的器件（门电

路），构成微操作序列形成部件的组合逻辑网络。

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5.3组合逻辑控制器

百年◎帘--------------------------------------------

TONTTY4单周期组合逻辑控制器设计举例

设计一台基于MIPS指令架构的单周期CPU,共有8条指

令。

序号指令指令功能备注

1Addurd,rs,rtrd<-rs+rt寄存器加

2Subrd,rs,rtrd<-rs-rt寄存器减

3Orirt,rs,immediatert<-rsVext_imml6立即数或

4Silrd,rt,sard<-rt||0s左移

rs=rt,PC<-NPC+Sign_ext(offset||02)；

5Beqrs,rt,offset条件转移

rswrt,PC<-NPC(PC+4)

2

6JtargetPC<-PC31.28||instr_index||0无条件转移

7Lwrt,offset(base)rt<-[base+Sign_ext_offset]取数

8Swrt,offset(base)[base+Sign_ext_offset]<-rt存数

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苞年同滁-------------------------------------

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1.Addurd,rs,rt;

rd-rs+rt,PC-NPC(PC+4)

312625212016151110650

Addu(OOOOOO)rsrtrd00000100001

2.Subrd,rs,rt;

312625212016151110650

Subu(OOOOOO)rsrtrd00000100011

rd<-rs-rt,PC-NPC(PC+4)

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3.Orirt,rs,immediate;

312625212016150

Ori(OOllOl)rsrtimml6

rt<-rsVext_imml6,PC-NPC(PC+4)

4.Silrd,rt,sa;

312625212016151110650

SI1(000000)00000rtrdsa000000

rd-rt0s,PC-NPC(PC+4)

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5.3组合逻辑控制器

苞年◎称

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5.Beqrs,rt,offset;

312625212016150

Beq(OOOlOO)rsrtoffset

rs=rt,PC<-NPC+Sign_ext(offset||02)；

rsWrt,PC-NPC(PC+4)

6.Jtarget;

3126250

J(000010)instrjndex

2

PC-PC31_2o||instrindex|10,PC-NPC(PC+4)

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7.Lwrt,offset(base);

312625212016150

Lw(lOOOll)basertoffset

rt-[base+Sign_ext_offset],PC-NPC(PC+4)

8.Swrt,offset(base);

312625212016150

Sw(101011)basertoffset

[base+Sign_ext_offset]-rt,PC-NPC(PC+4)

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苞年同滁------------------------------------

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1.根据指令功能设计数据通路

列出部件关系表

(1)Addurd,rs,rt;rd-rs+rt,PC-NPC(PC+4)

•所需部件：PC、NPC(完成PC增值)、IMEM、Regfile、ALU

•部件之间数据输入输出关系如下表：

PCNPCIMEMRegFileALU

RdAB

AdduNPCPCPCALURsRt

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高年◎称

TONGJIUNIVERSITY

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2.Suburd,rs,rt;rd<-rs-rt,PC-NPC(PC+4)

•所需部件：PC、NPC(完成PC增值)、IMEM、Regfile、ALU

•部件之间数据输入输出关系如下表：

PCNPCIMEMRegFileALU

RdAB

AdduNPCPCPCALURsRt

SubuNPCPCPCALURsRt

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5.3组合逻辑控制器

高年◎称

TONGJIUNIVERSITY

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高年◎称

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3.Orirt,rs,imml6jrt^-rsVext.imml6,

PC-NPC(PC+4)

•所需部件：PC、NPC（完成PC增值）、IMEM、Regfile、ALU、Extl6

•部件之间数据输入输出关系如下表：

PCNPCIMEMRegFileALUExt16

RdAB

AdduNPCPCPCALURsRt

SubuNPCPCPCALURsRt

OriNPCPCPCALURsExt16imm16

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5.3组合逻辑控制器

苞年电将

TONGJIUNIVERSITY

PCNPCIMEMRegFileALUExt16

RdAB

卜

Addu312625212016150

「

SubuOri(OOllOl)rsrtimml6

OriNPCPCPCALURsExt16imm16

31

RdRs

Rdc

AddressRegFile

Rsc

IMEM0RteRt

imml632bit

EXT16Or

IMEM15-0

5.3组合逻辑控制器

高年◎称

TONGJIUNIVERSITY

4.Silrd,rt,sa;rd-rt左移sa位,PC-NPC(PC+4)

•所需部件：PC、NPC(完成PC增值)、IMEM、Regfile、ALU、Ext5

•部件之间数据输入输出关系如下表：

PCNPCIMEMRegFileALUExt16Ext5

RdAB

AdduNPCPCPCALURsRt

SubuNPCPCPCALURsRt

OriNPCPCPCALURsExt16imm16

SilNPCPCPCALUExt5Rtsa

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1907-20075.3组合逻辑控制器

苞年同篇、

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IMEM10-6

5.3组合逻辑控制器

苞年◎称

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5.Beqrs,rt,offset;

rs=rt,PC-NPC+Sign_ext(offset||02)否贝！|PC—NPC(PC+4)

•所需部件：PC、NPC(完成PC增值)、IMEM、Regfile、ALU、Extl8>ADD

•部件之间数据输入输出关系如下表：

PCNPCIMEMRegFileALUExt16Ext5Ext18ADD

RdABAB

AdduNPCPCPCALURsRt

SubuNPCPCPCALURsRt

OriNPCPCPCALURsExt16imm16

SilNPCPCPCALUExt5Rtsa

BeqADDPCPCRsRtOffsetNPCExt18

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NPC

4ADD)

ADD

B

1907-20075.3组合逻辑控制器

苞年同滁-----------------------------------------

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6.Jtarget;

2

PC^PC31_281Iinstr_index|10,PC-NPC(PC+4)

•所需部件：PC、NPC(完成PC增值)、IMEM

•部件之间数据输入输出关系如下表：

PCNPCIMEMRegFileALUExt16Ext5Ext18ADD

RdABAB

AdduNPCPCPCALURsRt

SubuNPCPCPCALURsRt

OriNPCPCPCALURsExt16imm16

SilNPCPCPCALUExt5Rtsa

BeqADDPCPCRsRtOffsetExt18NPC

JIMEMPCPC

25-0

PCNPCIMEMRegFileALUExt16Ext5Ext18ADDII

RdABABAB

AdduNPCPCPCALURsRt

SubuNPCPCPCALURsRt

OriNPCPC3126250

SilNPCPCJ(000010)instrjndex

BeqADDPCPCRsRtOffsetExt18NPC

JIIPCPCPCIMEM