第5章 中央处理器解决方案.ppt

第5章中央处理器本章内容: ?CPU 的组成和功能?指令周期?时序产生器和控制方式?微程序控制器?微程序设计技术?硬布线控制器?传统和现代 CPU 介绍 CPU 的功能和组成?CPU 的功能程序是存放在内存储器中能够解决某个问题的一组指令序列,计算机中能够完成自动取出指令并执行指令的部件称为中央处理器,简称 CPU 。CPU 有如下基本功能: -指令控制:保证机器按顺序执行程序-操作控制: 把指令的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。-时间控制:保证指令的各种操作信号按照严格的时序关系送往相应的部件, 使计算机有条不紊的按序工作。-数据加工: 数据加工就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理,这是 CPU 的基本功能。?CPU 的基本组成-传统 CPU 基本组成:运算器、控制器。(在诺曼机的定义中) -现代 CPU 基本组成:运算器、控制器、浮点运算器和 Cache 。控制器的组成:程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器。控制器的主要功能: 1)从内存中取出指令,并指出下一条指令在内存中的位置。 2)对指令进行译码并产生相应的控制信号启动规定的动作。 3)控制 CPU 与内存或 CPU 与输入/输出设备之间数据传递。运算器的组成:算术逻辑单元(ALU) 、通用寄存器、数据缓冲寄存器和状态寄存器。运算器的主要功能: 1)执行所有的算术运算。 2)执行所有的逻辑运算。?CPU 内部的主要寄存器程序计数器 PC用来确定下一条待执行的指令在指令存储器中的地址,顺序寻址 PC+1->PC ;跳跃寻址将指令中的地址码装入。数据缓冲寄存器用来暂存 ALU 的运算结果或者由内存读出或者向内存写入的数据或者指令状态寄存器用来保存上次算术或逻辑结果的某些特性,例如运算结果是否有进位、运算结果是否溢出等。指令译码器对指令的操作码进行测试, 向操作控制器发送具体操作的信号。通用寄存器组,暂存参加运算的操作数或运算结果,为 ALU 提供工作区。目前的CPU 中有 16个、 32个或者更多的累加寄存器构成通用寄存器组。控制器运算器数据地址寄存器用来保存 CPU 所访问的数据存储器单元的地址,在 CPU 读写数据存储器的期间驱动数据地址总线上的地址信息。 Cache 指令寄存器保存当前执行的指令,是指令译码器的输入。 CPU 取指时通过指令总线将指令送指令寄存器。?操作控制器与时序产生器在 CPU 中有很多寄存器,信息从什么地方开始,中间经过哪个寄存器,最后传送到哪个寄存器,都要加以控制。在各寄存器之间建立数据通路的任务,这是由称为操作控制器的部件来完成的。操作控制器的功能:根据指令操作码和时序信号,产生各种操作控制号,以便正确地建立数据通路,从而完成取指令和执行指令的控制。根据设计方法不同,操作控制器可分为: 1)采用时序逻辑技术实现的硬布线控制器 2)采用存储逻辑实现的微程序控制器 3)前两种方式的组合的控制器操作控制器对各部件产生的控制信号必须严格遵守时序关系,这是由时序产生器的部件完成的。时序产生器的功能:对各种操作实施时间上的限制。 指令周期 CPU 从内存取出一条指令并执行该指令;紧接着又是取指令,执行指令……,如此周而复始构成了一个封闭的循环。除非遇到停机指令,否则这个循环将一直继续下去,所以计算机能够自动的工作下去。开始取指令执行指令指令和数据都以二进制的形式存放在内存中, CPU 能够准确的判断哪些是指令,哪些是数据并送往相应的寄存器并进行相应的操作,这是计算机自动工作的前提。本节讨论一些典型指令的工作周期,加深对CPU 工作过程的理解。?指令周期的概念-时钟周期: 时钟周期是 CPU 的基本时间计量单位, 它是 CPU 一切操作的计时标准和基本控制信号,它由计算机的主频决定。 8086 的主频为 5MHZ ,则一个时钟周期为 200ns 80486 主频为 100MHZ ,则一个时钟周期为 10ns -机器周期(CPU 周期):CPU 通过总线从内存读取一个机器字的时间称为一个 CPU 周期,一般需要 4个时钟周期,分别称为 T1、 T2、T3、T4状态。机器周期 T 1T 2T 3T 4 CLK 时钟周期 CLK 该机器周期读取的一个机器字可以是指令也可以是数据。如果是指令,该机器周期称取指周期-指令周期: 执行一条指令需要经过读取指令,指令译码及指令执行的过程,把执行一条指令所需要的时间称为指令周期。不同指令的指令周期是不等长的,最短时间为两个机器周期,一个机器周期取指令,一个机器周期执行指令;有的复杂的指令需要更多机器周期。 CLK 机器周期机器周期机器周期(取指令) (取有效地址) (执行指令) 指令周期 T 1T 2T 3T 4T 1T 2T 3T 4T 1T