1、2020年7月27日，第6章第1頁，中央處理器，計算機組成原理概論，清華大學(xué)出版社，教學(xué)目標教學(xué)重點教學(xué)過程，2020年7月27日，第2頁，教學(xué)目標，掌握中央處理器的基本工作原理，掌握控制器的組織方式，掌握程序控制的基本思想，2020年7月27日，第3頁，教學(xué)重點，中央處理器的一般結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行和定時發(fā)生器，微程序設(shè)計技術(shù)和微程序控制器，硬接線控制器和門顯示控制器， 2020年7月27日，第4頁，教學(xué)過程，6.1中央處理器的總體結(jié)構(gòu)6.2指令執(zhí)行和定時發(fā)生器6.3微程序設(shè)計技術(shù)和微程序設(shè)計控制器6.4硬線控制器和門陣列控制器6.5新的中央處理器技術(shù)，2020年7月27日，第5頁，6.1中央處理

2、器的總體結(jié)構(gòu)，在計算機系統(tǒng)中，中央處理器由控制器和運算單元組成。 控制器是整個系統(tǒng)的指揮中心。在控制器的控制下，運算單元、存儲器和輸入輸出設(shè)備構(gòu)成一個有機的整體。2020年7月27日，第6頁，6.1中央處理器的整體結(jié)構(gòu)，當代主流計算機仍然遵循馮諾伊曼的“存儲程序，程序控制”的思維程序告訴計算機：什么操作應(yīng)該一步一步地執(zhí)行；在哪里查找操作數(shù)據(jù)，在哪里存儲結(jié)果，等等。中央處理器是控制計算機自動完成獲取指令和執(zhí)行指令任務(wù)的部件。它是計算機的核心部件，通常簡稱為中央處理器。2020年7月27日，第7頁，6.1.1中央處理器的功能和組成(1/5)。首先，中央處理器的基本功能(1)程序控制確保機器按照一定

3、的順序執(zhí)行程序，這是中央處理器的主要任務(wù)。(2)操作和控制一條指令的功能通常是通過幾個操作信號的組合來實現(xiàn)的。(3)時間控制對各種操作實施時間控制稱為時間控制。各種指令的操作信號嚴格受時間控制。指令的整個執(zhí)行過程也受到時間的嚴格控制。(4)數(shù)據(jù)處理，2020年7月27日，第8頁，6.1.1中央處理器的功能和組成(2/5)，2?？刂破鞯墓δ?基本功能)控制器的基本功能是負責讀取、識別和解釋指令，并指導(dǎo)和協(xié)調(diào)每個功能組件執(zhí)行指令。3.程序控制原理1。編程2。發(fā)送內(nèi)存(通過輸入設(shè)備)3。當機器工作時，它按照一定的順序一條一條地取出指令，分析它們，執(zhí)行它們，并自動轉(zhuǎn)移到下一條指令上執(zhí)行，直到程序中指定

4、的任務(wù)完成。4.程序控制由控制器承擔，程序存儲由存儲器完成。2020年7月27日，第9頁，6.1.1中央處理器的功能和組成(3/5)，4?？刂破鬟壿嫿Y(jié)構(gòu)的三種組織方法(1)常規(guī)組合邏輯方法(或隨機邏輯方法)；分立元件時代的產(chǎn)物；該方法根據(jù)邏輯代數(shù)的運算規(guī)則和最小化組合電路的原理，由邏輯門電路實現(xiàn)；不規(guī)則，可靠性低，成本高。(2)可編程邏輯陣列方法；前者本質(zhì)相同，但過程不同；它是由大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的。(3)微程序控制邏輯方法。將編程的思想方法引入控制器的控制邏輯中；各種操作控制信號以編碼信息字的形式存儲在控制存儲器(cm)中；機器指令對應(yīng)微程序，執(zhí)行機器指令的過程就是執(zhí)行微程序的過程。2020

5、年7月27日，第10頁，6.1.1中央處理器的功能和組成(4/5)，5。中央處理器的組成(1)指令部件：程序計數(shù)器、指令寄存器、指令解碼器、程序狀態(tài)寄存器、地址形成部件等。(2)定時部件定時部件是用于產(chǎn)生每個部件所需的定時控制信號的部件。通常，定時信號由三級定時信號組成，即工作周期、工作節(jié)拍和工作時標脈沖。(3)微操作控制電路微操作是指計算機中最基本的操作；微操作控制邏輯用于產(chǎn)生機器所需的所有微操作信號。微操作控制邏輯的功能是將操作碼解碼器輸出的控制電位、定時信號和各種控制條件組合起來，在一定的時間序列內(nèi)產(chǎn)生并發(fā)出一系列微操作控制信號，完成指令指定的所有操作。(4)中斷控制邏輯中斷控制邏輯用于

6、控制中斷處理的硬件邏輯。2020年7月27日，第11頁，6.1.1中央處理器的功能和組成(5/5)，2020年7月27日，第12頁，6.1.2操作控制器和定時發(fā)生器，根據(jù)不同的設(shè)計方法，操作控制器可分為：時序邏輯型稱為硬線控制器，它是通過時序邏輯技術(shù)實現(xiàn)的；內(nèi)存類型稱為微程序控制器，由內(nèi)存邏輯實現(xiàn)。時序邏輯和存儲邏輯的結(jié)合。前兩種方式的結(jié)合。主要介紹了微程序控制器。2020年7月27日，第13頁，6.2指令執(zhí)行和定時發(fā)生器，6.2.1指令周期6.2.2定時發(fā)生器6.2.3中央處理器控制模式，2020年7月27日，第14頁，6.2.1指令周期(1/18)，中央處理器每次提取并執(zhí)行一條指令更簡單地

7、說，一個指令周期就是提取并執(zhí)行一條指令的時間。指令周期通常用CPU周期數(shù)來表示，也稱為機器周期。一個中央處理器周期時間包含幾個時鐘周期(通常稱為拍脈沖或測試周期，這是最基本的處理操作單位)。事實上，計算機程序執(zhí)行的過程是一個不斷獲取、分析和執(zhí)行指令的過程。2020年7月27日，第15頁，6.2.1指令周期(2/18)。首先，基本工作過程主要是指執(zhí)行指令的過程。計算機執(zhí)行指令的過程可以分為三個階段：取指令；分析說明；執(zhí)行指令。1.獲取指令(1) (PC)MAR，讀取(2) (PC) 1PC (3)讀取MDR(讀出MAR指定的地址單元的內(nèi)容)，并發(fā)出MFC(等待MFC) (4)(MDR) IR，指

8、示解碼器開始解碼操作碼字段OC。2020年7月27日，第16頁，6.2.1指令周期(3/18)，1?；竟ぷ髁鞒?。分析指令(1) OC:識別和區(qū)分不同的指令類別；(2)操作數(shù)：獲取操作數(shù)的方法。例如，假設(shè)IR寄存器中的當前指令是加法指令：ADD (R0)，R1，其中R0和R1是通用寄存器，并且內(nèi)容已經(jīng)由其他指令提前發(fā)送。在分析指令階段可以得到兩個結(jié)果：這是一個加法指令；源操作數(shù)是寄存器間接尋址模式，操作數(shù)在內(nèi)存中，有效地址是(R0)，結(jié)束操作數(shù)是寄存器直接尋址，操作數(shù)是R1寄存器的內(nèi)容。2020年7月27日，第17頁，6.2.1指令周期(4/18)。1.基本工作流程。例如，如果紅外寄存器中的

9、指令是減法指令：SUB D(R0)，(R1)，其中R0和R1是通用寄存器，則內(nèi)容已由其他指令提前發(fā)送。在分析指令階段可以得到兩個結(jié)果：這是一個減法指令；源操作數(shù)是寄存器索引尋址模式，操作數(shù)在內(nèi)存中，有效地址是(R0) D，結(jié)束操作數(shù)是通用寄存器間接尋址模式，有效地址是R1寄存器的內(nèi)容。2020年7月27日，第18頁，6.2.1指令周期(5/18)，1?；竟ぷ髁鞒?。執(zhí)行指令。執(zhí)行指令中規(guī)定的各種操作，實現(xiàn)指令的功能。F(IR，PSW，時序)微操作控制信號序列，例如，ADD (R0)，R1，SUB D(R0)，(R1)如果沒有意外事件(如結(jié)果溢出)發(fā)生，機器從PC機獲得下一個指令地址，并開始新

10、指令的控制過程。計算機的基本工作過程可以概括地描述為獲取指令、分析指令、執(zhí)行指令、獲取另一條指令以及依次執(zhí)行指令序列的過程。2020年7月27日，第19頁，6.2.1指令周期(6/18)。2.模型機器結(jié)構(gòu)1?？驁D(1)寄存器：R0R3是一個通用寄存器，S、D和T是用于在中央處理器中臨時存儲數(shù)據(jù)的工作寄存器，分別稱為源寄存器、結(jié)束寄存器和臨時寄存器(2)寄存器：x、y、z，其中x和y寄存器也用作ALU的兩個輸入開關(guān)，可通過鎖定裝置實現(xiàn)。(3)單總線結(jié)構(gòu)：PC機和PSW掛在總線上。2020年7月27日，第20頁，6.2.1指令周期(7/18)。2.模型機器結(jié)構(gòu)2。微操作控制信號(1)備注：R1ou

11、t:表示發(fā)送R1寄存器信息的微操作控制信號。R0in:表示接收R0寄存器信息的微操作信號。記憶功能完成信號。WMFC:等待MFC信號。讀?。鹤x取內(nèi)存微操作。寫：寫內(nèi)存微操作。(2)微操作：在控制器中：(1)伊林；(b) PCin，PCout(c)WMFC；(d)結(jié)束：指令工作完成，2020年7月27日，第21頁，6.2.1指令周期(8/18)，b .在算術(shù)單元：(a)x寄存器接收總線數(shù)據(jù)控制信號Xin；(b)y寄存器接收總線數(shù)據(jù)控制信號Yin；(c)z寄存器接收和發(fā)送控制信號Zin和zout(d)R0 in 3 in，R0 out 3 out；辛、Sout、丁、杜、丁、圖。算術(shù)邏輯單元：加法、

12、除法、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，“與”、“異或”、“1”等。0Y，RY；(h) 0X，RX；記憶：(a)讀、寫；(b)存儲器地址寄存器接收控制信號馬林；MDRin，MDRout，2020年7月27日，第22頁，6.2.1指令周期(9/18)，3。指令格式：模型機的尋址方式采用通用寄存器尋址方式。以雙操作數(shù)指令為例，其指令格式如下：操作數(shù)地址字段由兩部分組成：寄存器編號的含義為：00:r0；01:R1；10:R2；11:R3；2020年7月27日，第23頁，6.2.1指令周期(10/18)，4。尋址模式：2020年7月27日，第24頁，6.2.1指令周期(11/18)，3。微操作序列(1)“從主存儲器中獲取”

13、)Zout、MARin、READ(向MAR發(fā)送總線地址并發(fā)送READ命令)。WMFC(控制器等待存儲器發(fā)送的操作完成信號MFC。0X，Xin，0Y，ADD，Zin(控制器接收到MFC后，將讀取的MDR中的代碼發(fā)送到寄存器Z.)Zout，R2in(將采集的數(shù)據(jù)載入R2寄存器。)，2020年7月27日，第25頁，6.2.1指令周期(12/18)，(2)微操作序列PCout，0Y，Yin，0X，1，ADD，Zin的“指令計數(shù)器PC增量”(將有效地址發(fā)送到寄存器z)，Zout，PCin(將寄存器z的內(nèi)容發(fā)送到PC)。)(3)微操作序列PCout，0Y，Yin，馬林，read(指令地址發(fā)送到主存儲器，并

14、發(fā)送READ命令。)0X，1，ADD，Zin，WMFC (PC) 1，并等待存儲器操作完成的應(yīng)答信號。MDRout、IRin、Zout、PCin(接收對IR的指令，開始解碼，電腦內(nèi)容已增加。)，2020年7月27日，第26頁，6.2.1指令周期(13/18)，(4)雙操作數(shù)加法指令A(yù)DD (R0)，PCout，0Y，尹，馬林，read(指令地址發(fā)送到主存，READ命令。)0X，1，ADD，Zin，WMFC (PC) 1，并等待存儲器操作完成的應(yīng)答信號。MDRout、IRin、Zout、PCin(接收對IR的指令，開始解碼，電腦內(nèi)容已增加。)R0out，0X，0Y，RY，ADD，Zin(源操作數(shù)

15、的間接尋址，將地址發(fā)送到Z.)Zout，MARin，READ(取源操作數(shù))WMFC，R1out，0X，RX(等待內(nèi)存應(yīng)答，將結(jié)束點號發(fā)送到x寄存器)MDRout，0Y，Yin，ADD，Zin(將源點號發(fā)送到ALU的y端，add) Zout，R1in(將結(jié)果發(fā)送到R1)結(jié)束，2000 6.2.1指令周期(14/18)，(5)雙操作數(shù)減法指令sub0，D(R1) PCout，0Y，Yin，MARin，READ(指令地址發(fā)送到主機) 并等待存儲器操作完成回答MDRout、IRin、Zout、PCin(接收到對IR的指令，開始解碼，并且PC內(nèi)容已經(jīng)增加)。 )R0out，0X，0Y，RY，ADD，Zi

16、n(源操作數(shù)的內(nèi)容被發(fā)送到z寄存器。)Zout，Sin(將源操作數(shù)發(fā)送到s寄存器進行保存。)PCout，0Y，Yin，馬林，read(將PC內(nèi)容發(fā)送到主存儲器并發(fā)送READ命令。)0X，1，ADD，Zin，WMFC (PC) 1，等待內(nèi)存操作完成答案。)Zout，PCin，MDRout，0Y，Yin(將正式地址d發(fā)送到y(tǒng)寄存器，PC遞增。)，2020年7月27日，第28頁，6.2.1指令周期(15/18)，R1out，0X，RX，ADD，Zin(將R1的內(nèi)容發(fā)送到X寄存器并相加以形成結(jié)束操作數(shù)的有效地址)，Zout，MARin，READ(取結(jié)束操作數(shù))，0X MDRout，0Y，Yin，SUB，Zin(將源點發(fā)送到ALU的y端并減去這兩個數(shù)字)。)Zout、MDRin、WRITE(將兩個數(shù)字之間的差異發(fā)送到內(nèi)存。)WMFC(等待記憶的回答。)END (end)，2020年7月27日，第29頁，6.2.1指令周期(16/18)，(6)微操作序列的一個分支指令PCout，0Y，Yin，MARin，read(指令地址發(fā)送到主存儲器，READ命令發(fā)送。)0X，2，ADD，Zin，WMFC (PC) 2，并等待存儲器操作完成的應(yīng)答信號。MDRout、IRin、Zo