计算机组成原理与汇编语言课件.ppt

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©、熊桂喜
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第五部分CPU与控制单元设计
一、CPU的功能与组成
二、数据通路设计
三、指令执行流程分析
四、硬布线控制器设计
五、微程序原理
六、微程序控制器设计
七、流水线技术简介

CPU的功能:控制指令执行
取指令:从存储器中读出指令
指令地址部件:指明当前要读取的指令在存储器中的地址
指令寄存部件:保存从存储器中取来的指令
分析指令:分析指令的操作性质以及操作对象的位置(地址)
译码部件:对指令进行译码
执行指令:实现指令应该具有的操作功能
控制信号逻辑部件:根据指令的操作性质和操作对象的地址(译码结果),在时序信号配合下,产生一系列的微操作控制信号,从而控制计算机的运算器、存储器或输入输出接口等部件工作,实现指令所表示的功能。
时序部件:提供计算机基准时序信号

CPU内部结构(内部单总线结构)
执行单元(EU)
控制单元(CU)
寄存器单元
中断系统
内部总线

CPU内部的寄存器
通用寄存器(GeneralRegister):用户可见(汇编语言可使用)
数据寄存器、基址寄存器、变址寄存器、堆栈指针、标志寄存器等
控制与状态寄存器:用户不可见,为系统控制专用。
MAR(MemoryAddressRegister):存储器地址寄存器
MBR/MDR(MemoryBufferRegister,MemoryDataRegister):存储器数据缓冲器
PC(ProgramCounter):程序计数器
IR(InstructionRegister):指令寄存器
临时寄存器(TemporaryRegister):用户不可见

执行单元(EU-ExecutionUnit)
执行单元的核心:算术逻辑运算单元(ALU),完成算术运算、逻辑运算、移位运算等操作;
寄存器:提供数据缓冲;
控制单元(CU-ControlUnit)
指令寄存器IR
指令译码器ID(InstructionDecoder)
时序部件:提供各种时序信号
控制信号生成部件:产生计算机其他部件所需要的所有微操作控制信号,分组合逻辑和微程序两种实现方式。
中断系统
检查中断信号,中断CPU的正常程序执行,处理异常事务。
(单总线结构)
单总线结构(CPU、存储器)
模型机CPU结构描述
16位系统,内部总线连接
4个通用寄存器部件(R0、R1、R2、R3)
程序计数器PC
指令寄存器IR
运算单元ALU、状态寄存器FR
主存地址缓存MAR
主存数据写入缓存MDR、主存数据读出缓存MER
其他暂存器A、C、D
微操作信号控制单元

指令格式
操作码位数:固定8位
指令长度:16位或32位
寻址方式:5种寻址方式,立即数、寄存器直接、寄存器间接、基址寻址、相对寻址(只用于转移类指令)
Opcode:操作码(8位)
Ms:源操作数寻址方式(2位)
Rs:源寄存器(2位)
Mt:目的操作数寻址方式(2位)
Rt:目的寄存器(2位)
Data:立即数(16位)
Offset:基址寻址或相对寻址的位移量(16位)

指令类型
传送类指令:MOV指令,16位或32位指令
4种传送类型:立即数寄存器,寄存器寄存器,寄存器存储器,存储器寄存器
运算类指令:算术和逻辑运算,16位或32位指令,RR型指令或RS型指令,4种类型(以加法运算为例)
立即数+寄存器寄存器
寄存器+寄存器寄存器
寄存器+存储器寄存器
寄存器+寄存器存储器
转移类指令
条件/非条件转移、转子程序:32位指令,采用相对寻址
子程序返回:16位指令
其它指令:16位指令
存储器
PC
地址总线(AB)
数据总线(DB)
控制总线(CB)
CPU内部
送地址:PCABMem
读指令,MemDBIR
修改PC
IR
(—取指数据通路)