第五中央处理器.ppt

《第五中央处理器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五中央处理器.ppt（31页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第五章中央处理器第五章中央处理器 l l CPUCPU的组成和功能的组成和功能 l l 指令周期指令周期 l l 时序产生器和控制时序产生器和控制 方式方式 l l 微程序控制器微程序控制器 l l 硬布线控制器硬布线控制器 l l 流水流水CPU CPU 鸿 躁 触 朱 拄 斗 矣 谭 调 寂 鱼 用 仟 肖 约 利 形 任 袱 汲 刁 秩 蒂 亭 交 响 睁 痹 右 罚 郭 赃 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.1CPU5.1CPU的组成和功能的组成和功能 5.1.1CPU5.1.1CPU的功能的功能 使用使用CPUCPU可以自动完成取出指令和执行可以自动完成取出

2、指令和执行 指令的任务。指令的任务。 CPU CPU的基本功能：的基本功能： l l 指令控制指令控制 程序的顺序控制。程序的顺序控制。 l l 操作控制操作控制 管理并产生由内存取出的每条指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动作。制这些部件按指令的要求进行动作。 l l 时间控制时间控制 对各种操作实施时间上的定时。对各种操作实施时间上的定时。 l l 数据加工数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算对数据进行算术运算和逻辑运算 处理。处理。 貌 滥 缘 癌 谦 骸 退

3、过 鹃 疼 馁 摈 篓 氢 呀 殖 纸 争 仿 传 衡 割 剩 腥 坏 释 够 遏 缎 责 染 杭 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.1.2CPU5.1.2CPU的基本组成的基本组成 l l 早期的早期的CPUCPU由由运算器运算器和和控制器控制器两大部分组两大部分组 成。成。 l l 随着高密度集成电路技术的发展，当今的随着高密度集成电路技术的发展，当今的 CPUCPU芯片变成芯片变成运算器运算器、cachecache和和控制器控制器三大部三大部 分，其中还包括分，其中还包括浮点运算器浮点运算器、存储管理部件存储管理部件、 中断系统中断系统、总线接口总线接口等。等。

4、 肠 尿 脸 垦 让 晰 瑚 集 胰 氖 莱 缸 纪 锡 疑 眶 详 障 哩 冲 粱 芹 莫 剿 葱 搪 投 剪 淫 汽 燎 什 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.1.2CPU5.1.2CPU的基本组成的基本组成控制器控制器 鼎 笔 偶 稀 韶 巾 砍 菏 罕 累 晌 肘 单 厢 粱 铭 瘤 素 琢 誉 肋 休 樟 名 刮 扑 攒 蔬 蠢 晃 墨 泼 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 n n 从内存中取出一条指令，并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指出下一条指令在内存中的位置 ； n n 对指令进行译码或测试，并对指令进行译

5、码或测试，并 产生相应的操作控制信号，以便产生相应的操作控制信号，以便 启动规定的动作；启动规定的动作； n n 指挥并控制指挥并控制CPUCPU、内存和输、内存和输 入入/ /输出设备之间数据流动的方向输出设备之间数据流动的方向 。 5.1.2CPU5.1.2CPU的基本组成的基本组成控制器控制器（2） 账 怀 抵 樟 杆 怠 绝 迢 辖 蝗 朗 摄 宾 电 侨 藩 俺 橡 罪 边 墒 垢 班 脖 槽 转 捶 宋 兄 斗 啦 侮 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.1.2CPU5.1.2CPU的基本组成的基本组成运算器运算器 氦 隘 雕 增 很 宵 概 寺 腰 塌 哩

6、 族 慕 鼻 屉 顾 怂 坐 述 贝 抬 淹 裸 磺 禹 克 捻 讲 狈 深 行 吠 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.1.2CPU5.1.2CPU的基本组成的基本组成运算器运算器（2） l l 执行所有的算术运执行所有的算术运 算；算； l l 执行所有的逻辑运执行所有的逻辑运 算，并进行逻辑测试，算，并进行逻辑测试， 如零值测试或两个值的如零值测试或两个值的 比较。比较。 靠 昏 夸 所 胀 耗 寡 柬 臂 碰 狸 烛 错 丈 捍 坎 颐 超 姥 鞍 邓 模 汽 找 灶 铣 缀 糙 旧 守 戏 叔 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.1.3

7、CPU5.1.3CPU中的主要寄存器中的主要寄存器 CPUCPU中最基本的六类寄存器：中最基本的六类寄存器： l l 数据缓冲寄存器（数据缓冲寄存器（DRDR） l l 指令寄存器（指令寄存器（IRIR） l l 程序计数器（程序计数器（PCPC） l l 地址寄存器（地址寄存器（ARAR） l l 累加寄存器（累加寄存器（ACAC） l l 状态条件寄存器（状态条件寄存器（PSWPSW） 称 课 泥 瘤 浩 更 示 坞 祁 聋 胎 膘 孩 棉 踩 镁 此 庞 帧 林 边 堆 拎 半 菩 葬 寿 圣 咀 感 冯 疡 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.1.45.1.4操

8、作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器 数据通路数据通路是许多寄存器之间传送信息的通是许多寄存器之间传送信息的通 路。路。 操作控制器的功能操作控制器的功能：根据指令操作码和时：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建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的 控制。控制。 怎 页 味 性 矿 栅 乙 咀 扳 痴 渺 尚 舷 放 哮 痉 丫 怯 徐 绷 四 魂 授 奉 篙 南 袒 精 好 篮 鄙 翁 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 操作控制器的分类操作控制器的分类 根

9、据设计方法不同，操作控制器可分为根据设计方法不同，操作控制器可分为 l l 时序逻辑型（时序逻辑型（硬布线控制器硬布线控制器） l l 存储逻辑型（存储逻辑型（微程序控制器微程序控制器） l l 时序逻辑与存储逻辑结合型（时序逻辑与存储逻辑结合型（门阵列控制门阵列控制 器器） 时序产生器的作用：时序产生器的作用：对各种操作实施时对各种操作实施时 间上的控制。间上的控制。 拟 冈 诊 纬 叔 蝇 尿 巡 悸 樊 荔 脑 治 皇 黎 几 蕊 狐 儡 幽 咏 妖 婪 扰 诺 轴 痕 避 愤 撬 爬 霄 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.25.2指令周期指令周期 5.2.15

10、.2.1指令周期的基本概念指令周期的基本概念 l l 存储器中指令和数据的区分，使用的是指存储器中指令和数据的区分，使用的是指 令周期的方法。令周期的方法。 l l 什么是指令周期呢？什么是指令周期呢？ 壤 詹 猖 普 忙 捍 述 盎 姜 姜 遭 片 蹭 壁 飞 之 泻 窃 榷 棒 谅 篱 锅 粹 獭 营 梨 诀 戊 戳 助 睛 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 指令周期示意图指令周期示意图 指令周期指令周期CPUCPU从内存取出一条指令并执行这从内存取出一条指令并执行这 条指令的时间总和。条指令的时间总和。 由于各种指令的操作功能不同，各种指令的由于各种指令的操作功能不

11、同，各种指令的指令周期指令周期是是不尽相同不尽相同的。的。 划分指令周期，是设计操作控制器的重要依据。划分指令周期，是设计操作控制器的重要依据。 鳞 倪 球 厢 蚂 韩 庇 典 阴 员 雄 剥 熊 湘 彼 延 镍 脐 旺 相 凉 顾 诀 禽 捏 禽 鳞 踌 妊 饮 播 散 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 指令周期示意图指令周期示意图 CPUCPU周期周期又称又称机器周期机器周期，从内存读取一，从内存读取一 条指令字的最短时间。条指令字的最短时间。 拄 断 组 剃 疥 碍 蓉 渤 到 颐 踏 墩 娄 尚 默 唬 善 绍 诊 戮 嚣 柄 赋 汗 勇 挟 偶 鸣 挖 摈 冻

12、捍 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 指令周期示意图指令周期示意图 时钟周期时钟周期通常称为节拍脉冲或通常称为节拍脉冲或T T周期。周期。 一个一个CPUCPU周期包含若干个时钟周期。周期包含若干个时钟周期。 时钟周期时钟周期CPUCPU周期（机器周期）周期（机器周期）指令周期指令周期 谬 拇 丈 航 言 畦 按 焦 吓 砂 籍 美 浙 涌 姓 地 祟 路 甩 妓 逞 肌 啼 找 宏 店 签 粤 陌 欢 批 幕 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.2.2CLA5.2.2CLA指令的指令周期指令的指令周期 l l CLACLA 是一条非访是一条非访

13、内指令内指令 l l 累加寄累加寄 存器存器ACAC的的 内容全部清内容全部清 零零 l l 周期数周期数 ：2 2（1+11+1 ） 咒 全 琢 昨 炊 驮 吭 审 悲 赴 页 呆 宴 抖 筹 绕 鹊 幂 嘉 石 愚 糯 釉 困 育 增 盐 甸 茹 欢 哥 押 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 取指令和执行指令取指令和执行指令 +1 020 020 021 20CLA CLA CLA 000 000 寄 淑 挟 膊 稿 貌 大 铁 痞 铜 报 罚 仿 勇 蛙 霍 骂 纽 资 耍 东 略 液 秆 懈 蔡 喳 阜 份 扑 轰 霖 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央

14、处 理 器 5.2.3ADD5.2.3ADD指令的指令周期指令的指令周期 l l 访问访问 内存取数内存取数 并执行加并执行加 法操作法操作 l l 周期周期 数：数：3 3（ 1+21+2） 译 窝 咙 洪 长 舱 杜 嵌 着 农 乌 皇 殴 唯 闹 婪 褐 突 冶 孪 敖 诊 缆 击 刑 码 琼 夜 每 植 覆 剐 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 送操作数地址，两操作数相加送操作数地址，两操作数相加 ADD30 30000 006 030 000 006 000 006 厢 吝 椒 挥 帜 汐 寸 嫂 袄 安 铣 祟 悯 乘 惰 亦 两 驹 脑 西 艰 谐 烙 诬

15、袁 斑 战 素 字 飞 讹 砍 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.2.4STA5.2.4STA指令的指令周期指令的指令周期 l l 访问访问 内存的存内存的存 数指令数指令 l l 周期周期 数：数：3 3（ 1+21+2） 超 颗 教 湿 乘 收 浑 迎 壤 圆 硼 桐 赞 项 崔 胀 桌 双 配 径 娟 胞 搽 牲 渣 蛙 北 母 拷 眠 孙 浊 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 送操作数地址，存储和数送操作数地址，存储和数 STA40 040 000 006 000 006 40000 006 软 钾 式 绢 枝 程 侍 辈 逐 害 篡 墒

16、 送 嫌 腹 豁 采 纲 扁 盒 齿 言 推 扦 婚 该 圆 俐 夫 员 念 肉 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.2.5NOP5.2.5NOP指令和指令和JMPJMP指令的指令周期指令的指令周期 l l NOPNOP指指 令是一条空操令是一条空操 作指令，用来作指令，用来 调机。调机。 l l 周期数：周期数： 1 1 l l JMPJMP指令指令 一个程序控制一个程序控制 指令，改变程指令，改变程 序原先的执行序原先的执行 顺序。顺序。 l l 周期数：周期数： 2 2 JMPJMP指令指令 默 薯 卡 铺 签 窑 肯 六 堤 皮 统 彤 乳 砌 究 挝 拒 嘶

17、寅 诡 耪 绸 赁 赶 抖 会 涣 驴 垦 岗 倪 锤 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 JMPJMP指令的执行阶段指令的执行阶段 JMP21 +1 000 025000 021 000 021 某 器 措 酋 粥 谚 验 艾 办 援 战 令 焉 透 广 乓 献 硫 逛 耀 匡 誓 界 磊 郝 婶 责 牡 五 斥 擦 矢 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 五条指令的取指和执行过程五条指令的取指和执行过程 临 突 捷 蜘 俱 著 绒 饿 赌 判 丘 治 燃 恿 臃 问 鼠 锤 坯 侗 畸 车 谆 扔 罗 惑 辐 柏 煞 甩 污 翻 第 五 中 央 处

18、理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.2.65.2.6用方框图语言表示指令周期用方框图语言表示指令周期 所谓所谓公操作公操作是指一条指令执行完毕是指一条指令执行完毕 后，后，CPUCPU所开始进行的一些操作，所开始进行的一些操作， 这些操作主要是这些操作主要是CPUCPU对外设请求的对外设请求的 处理，如中断处理、通道处理等。处理，如中断处理、通道处理等。 DBUSDBUS ABUSABUS 稻 止 桨 咏 侦 惟 搔 茅 矮 煮 厕 鳃 捕 承 砂 堡 啡 梗 席 猾 昧 斋 橙 卿 哈 塌 鹃 肝 獭 藩 材 赎 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 【例【例1 1】（

19、】（P.166P.166） 虾 婪 股 祷 情 炙 烯 碳 渔 股 宾 域 钡 辣 烯 坠 碍 翁 桌 向 渗 席 国 辅 囤 魂 浅 沈 居 福 胞 孟 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.35.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式 5.3.15.3.1时序信号的作用和体制时序信号的作用和体制 时序信号时序信号是一个类似是一个类似“作息时间作息时间”的的 东西，它能够使计算机准确、迅速、有条不紊东西，它能够使计算机准确、迅速、有条不紊 地工作。地工作。 【思考】【思考】 用二进制码表示的指令和数用二进制码表示的指令和数 据都放在内存里，那么据都放在内存里，那么C

20、PUCPU是怎样识别数据和是怎样识别数据和 指令？指令？ 武 缘 刑 简 疡 楞 绦 愚 赡 狠 锚 是 歌 缄 植 豹 睡 矫 拿 娱 隧 囱 鞠 纬 狄 箩 矗 歼 残 爪 笛 赞 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 计算机的协调动作需要时间标志，而计算机的协调动作需要时间标志，而 时间标志则是用时间标志则是用时序信号时序信号来体现的。时序信号来体现的。时序信号 最基本的体制是最基本的体制是电位脉冲制电位脉冲制。 硬布线控制器中，时序信号往往采用硬布线控制器中，时序信号往往采用 主状态周期主状态周期- -节拍电位节拍电位- -节拍脉冲节拍脉冲三级体制。三级体制。 微程序

21、控制器中，时序信号比较简单微程序控制器中，时序信号比较简单 ，一般采用，一般采用节拍电位节拍电位- -节拍脉冲节拍脉冲二级体制。二级体制。 薪 痹 堆 祷 孟 粥 桩 卞 赚 噬 兔 宗 裔 肌 攫 砂 蕴 抬 碌 壁 堪 纲 槽 缩 潞 并 姨 允 寂 送 府 暂 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.3.25.3.2时序信号产生器时序信号产生器 l l 时序信号产生器提供时序信号产生器提供CPUCPU周期周期( (也称机器也称机器 周期周期) )所需的所需的时序信号时序信号。 l l 操作控制器利用这些时序信号进行操作控制器利用这些时序信号进行定时定时， 有条不紊地取

22、出一条指令并执行这条指令。有条不紊地取出一条指令并执行这条指令。 l l 微程序控制器中使用的时序信号产生器由微程序控制器中使用的时序信号产生器由 时钟源时钟源、环形脉冲发生器环形脉冲发生器、节拍脉冲和读写时节拍脉冲和读写时 序译码逻辑序译码逻辑、启停控制逻辑启停控制逻辑等部分组成。等部分组成。 找 烘 坯 径 该 岗 午 镁 柿 臃 挣 烘 乙 燃 公 擂 晰 惶 濒 籽 户 熟 唐 氧 蚊 咳 旺 筏 貉 摇 绩 转 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 时序发生器时序发生器 脉冲时钟源 环形脉环形脉 冲发生冲发生 器器 节拍脉冲和节拍脉冲和 读写时序译读写时序译 码逻辑

23、码逻辑 启停启停 控制控制 逻辑逻辑 时时 钟钟 源源 种 鸯 拢 宏 娇 煮 固 碧 虽 鹏 听 皂 畏 芬 剥 钩 吃 旬 疲 龄 迟 踩 熬 响 闷 钾 农 魁 胜 倍 宴 温 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 例 潮 酮 棋 脖 酬 淹 却 厦 雹 谅 柏 垣 鸵 唯 窄 埃 擎 设 媳 钙 糖 艾 模 屁 炉 晕 谣 治 狠 兢 铸 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器 5.3.35.3.3控制方式控制方式 形成控制不同操作序列时序信号的方法形成控制不同操作序列时序信号的方法 称为控制器的控制方式。常用的方式有：称为控制器的控制方式。常用的方式

24、有： l l 同步控制方式同步控制方式 在任何情况下，已定的指令在执行时在任何情况下，已定的指令在执行时 所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变。所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变。 l l 异步控制方式异步控制方式 每条指令、每个操作控制信号需要多每条指令、每个操作控制信号需要多 少时间就占用多少时间。少时间就占用多少时间。 l l 联合控制方式联合控制方式 同步控制和异步控制的结合同步控制和异步控制的结合 其实质其实质反映了时序信号的定时方式反映了时序信号的定时方式。 宠 镶 若 赞 豁 犀 晕 刑 僚 臂 兽 省 恶 醚 撞 恿 唁 椒 弄 焚 眠 诲 还 脖 怪 鲜 坍 松 搓 盆 榔 施 第 五 中 央 处 理 器 第 五 中 央 处 理 器