《计原与汇编》PPT课件.ppt

第五章 中央处理器（CPU）,第一节 中央处理器的总体结构,CPU功能：从主存取指、解释、执行指令。程序控制功能、数据处理功能、操作定序功能CPU基本组成：控制部件(CU)算术逻辑运算部件（ALU）Cache存储器 中断系统 各种寄存器 CPU内部数据通路,模型机CPU的总体结构,CPU的设计步骤大致如下：,1、确定总体结构，设计数据通路及相应控制信号；2、设计指令系统及时序系统，拟定指令流程，确定 微操作控制信号；3、设计产生各种微操作控制信号的控制部件 两种类型组合逻辑控制器、微程序控制器,以8086的结构及指令系统为基础简化设计模型机,1、总体结构,单BUS结构：CPU、存储器及I/O部件挂接在一 组系统总线上，同步方式工作 只保留EU结构,模型机CPU的总体结构,2、CPU内总线（IBUS）,模型机CPU的总体结构,双向单总线 IBUS重用单发送多接收三态门隔离,3、CPU中寄存器设置,（1）寄存器组,模型机CPU的总体结构,W-B,地址R,字/字节操作,写某个通用寄存器,读某个通用寄存器,将某通用寄存器内容送内总线,数据R,RE,WE,（1）寄存器组,3、CPU中寄存器设置,R地址(AX),WE,W-B,RE,WE,WE,R地址,W-B,W-B,IBUS,（1）寄存器组,3、CPU中寄存器设置,RE,WE,R地址,RE,R-IBUS,W-B,AL,IBUS,（2）总线暂存器RBL,3、CPU中寄存器设置,RE,WE,R地址,W-B,W-B,RE,R-IBUS,RBL,IBUS-RBL,IBUS-RBL,（3）移位寄存器（SR）,例：将RBL中一个字内容算术左移一位,3、CPU中寄存器设置,RBL-IBUS，IBUS-SR，SALC，W-B，SR-IBUS，IBUS-RBL,16位，只存指令的前2个字节（前两个字节为操作码和寻址方式）。IBUS-IR用于控制将IBUS上的指令打入 IR。,（5）PC（程序计数器）16位专用寄存器，具有自增功能。一条指令结束前必须自动改变成下地址。,（4）IR（指令寄存器）,3、CPU中寄存器设置,PC,IBUS-PC,IR,IBUS-IR,PC+1,0-PC,IR,PC,IBUS-IR,0-PC,IBUS-PC,PC+1,PC-IBUS,PC-IBUS,IBUS,MDR:R MDR DBUS M,（6）MAR和MDR MAR:地址=MAR=ABUS,对主存的控制信号：MRD（读），MWR（写），W-B（字/字节）,3、CPU中寄存器设置,（6）MAR和MDR,例：从内存取指到IR中。,3、CPU中寄存器设置,（7）标志寄存器FR,0-PC,PC+1,ABUS,DBUS,CBUS,MAR-ABUS,MAR,R地址,R-IBUS,RE,WE,IBUS-MAR,移位寄存器SR,FR,PC,IBUS-PC,IBUS-IR,CU,TS,控制信号,主存 Memory,MDR,MDR-DBUS,MDR-IBUS,RBL,IBUS-RBL,RBL-IBUS,ADDC,SUBC,IBUS,寄存器组,PC-IBUS,MUX,BUS-MDR,I-DBUS,HALT,偶体,奇体,MRD,MWR,W-B,W-B,RA,RB,ALU-IBUS,ANDC,ORC,IBUS-RA,IBUS-RB,SHLC,SALC,ROLC,IBUS-SR,SR-IBUS,W-B,PC,PC-IBUS,IBUS-MAR,MAR,MAR-ABUS,MRD,W-B,I-DBUS,BUS-MDR,MUX,MDR,MDR-IBUS,IBUS-IR,MAR-IBUS,4、ALU部件及控制部件,ALU部件基本运算：ADDC，SUBC，ANDC，ORC，XORC，NOTC，INCAC，DECAC等,R地址（BX），RE，W-B，R-IBUS，IBUS-RA，RBL-IBUS，IBUS-RB，ADDC，ALU-IBUS，R地址（AX），WE，W-B,控制部件CU,时序控制方式：微操作与时序信号之间采取何种关系。一、同步控制方式 各项微操作由统一的时序信号进行同步控制。二、同步控制方式的多级时序系统多级时序概念：（1）指令周期：执行一条指令的时间。（2）机器周期：（CPU工作周期）把指令周期分成若干个子周期，每个子周期称为 机器周期。（3）节拍（时钟周期）：完成一步基本操作的时间段。（4）时钟脉冲信号：时序系统的基本定时信号。,第二节 指令周期与指令流程,模型机设置五种工作周期：,（1）取指周期FI：取指译码（2）目的周期DST：形成目的地址，获得目的操作数（3）源周期SRC：形成源地址，获得源操作数（4）执行周期EXC：运算、存结果/形成转移地址（5）中断响应周期INT：进行中断处理 周期状态触发器：5个触发器对应上面5种工作周期，任一时刻只有一个为1。,组合逻辑控制时序系统的组成,三、时序系统,微程序控制时序系统的组成,三、时序系统,四、指令系统（一）指令格式,1、双操作数指令代码格式:长度1-6B,指令目的操作数 源操作数操作特征部分MOV REGR/M10 00 10 dwMOV MImm11 00 01 1wADD REGR/M00 00 00 dwADD R/MImm10 00 00 0wAND R/MREG00 10 00 dwAND R/MImm10 00 00 0wd=1，目的操作数由REG字段给出w=1，字操作,REGW=0 W=1 000ALAX001CLCX010DLDX011BLBX100AHSP101CHBP110DHSI111BHDI,MODR/M00 01 10 11000(BX)+(SI)(BX)+(SI)+D8(BX)+(SI)+D16 AL/AX 001(BX)+(DI)(BX)+(DI)+D8(BX)+(DI)+D16 CL/CX010(BP)+(SI)(BP)+(SI)+D8(BP)+(SI)+D16 DL/DX011(BP)+(DI)(BP)+(DI)+D8(BP)+(DI)+D16 BL/BX100(SI)(SI)+D8(SI)+D16 AH/SP101(DI)(DI)+D8(DI)+D16 CH/BP110 D16(BP)+D8(BP)+D16 DH/SI111(BX)(BX)+D8(BX)+D16 BH/DI,例1：指令MOV VAR，5678H。该指令的操作码OPCODE为 1100011，REG为辅助操作码，其值为000。设VAR对应地址为2000H。这条指令的代码如何？,解：OPCODE W MOD REG R/M 位移量低 位移量高 立即数低 立即数高,1100011,1,000,C7 06 00 20 78 56H,例2：指令ADD AX,BX。这条指令的代码如何？,解：OPCODE d W MOD REG R/M,000000,1,000,1,11,011,03 C3H,2、单操作数指令代码格式,操作码扩展：OPCODE=1111111OP2为辅助操作码,例3：指令INC AL。这条指令的代码如何？,解：OPCODE W MOD REG R/M,1111111,000,0,11,000,FE C0H,（二）指令分类 1、数据传送类指令,（1）MOV DST，SRC（SRC）DST SRC可采用立即寻址、R寻址、直接寻址、R间址、变址/基址、基址变址寻址等。DST不能采用立即寻址，其他同SRC。采用双操作数指令代码格式，长度为2-6字节。,（2）PUSH SRC（SP）-2 SP，（SRC）（SP）SRC为R，为单字节指令 SRC为M，为2 4字节,（3）POP DST(SP)）DST，（SP）+2 SP DST为R，为单字节指令 DST为M，为2 4字节,（1）双操作数：ADD/SUB DST，SRC 寻址方式与指令代码格式、长度同MOV 指令功能：（DST）OP（SRC）DST,2、算术运算类指令,（2）单操作数 INC/DEC DST 指令功能：OP（DST）DST 寻址方式同MOV 采用单操作数指令代码格式，长度2-4字节。,（1）双操作数：AND/OR/XOR DST，SRC 寻址方式与指令代码格式、长度同MOV 指令功能：（DST）OP（SRC）DST,3、逻辑运算类指令,（2）单操作数 NOT DST 指令功能：OP（DST）DST 寻址方式同MOV 采用单操作数指令代码格式，长度2-4字节。,（3）移位指令 SAL/SAR/SHL/SHR/ROL/ROR DST，1 指令功能：OP（DST）DST 寻址方式同MOV 采用单操作数指令代码格式,（2）条件转移指令 JX 目标地址；转移条件：X X成立：则（IP）+disp IP；否则：顺序执行 包括JO、JS、JZ、JP、JC,4、控制转移类指令,（1）无条件转移指令,JMP 目标地址；功能:（IP）+disp IP,5、处理器控制类指令 HLT停机指令,以工作周期为线索，拟定各类指令在本工作周期操作流程易于优化 按指令类型分别拟定指令流程易于理解,拟定指令流程通常有两种方式,（三）指令流程,1、取指流程,FI0 PCMARFI1 M MDR IR；PC+1 PC,2、MOV指令流程（1）FI同前（2）DST,（3）SRC：同DST类似,W,R,M,Rs,R,D R,DRb Ri,D16,SRC0,SRC1,SRC2,SRC3,SRC4,SRC5,EXC0,EXC1,SRC6,SRC7,Imd,Imd16,D16,D16,例1 拟出MOV AX,2130H 的指令流程解:FI0PC=MAR FI1M=MDR=IR,PC+1=PC DST0PC+1=PC SRC0MAR=SR SRC1PC=MAR SRC2M=MDR=RBL,PC+1=PC SRC3SR=MAR,PC+1=PC EXC0RBL=AX,FI0 PC-MAR PC-IBUS,IBUS-MAR,T+1(CLK)FI1 M-MDR-IR MAR-ABUS,MRD,W-B,I-DBUS,BUS-MDR,MDR-IBUS，IBUS-IRPC+1-PC PC+1,IBUS-PC,1-T0(CLK),1-DST(CLK)DST0 PC+1-PC PC+1,IBUS-PC,T+1(CLK)DST1 PC-MARPC-IBUS,IBUS-MAR,T+1(CLK)DST2 M-MDR-RA MAR-ABUS,MRD,W-B,I-DBUS,BUS-MDR,MDR-IBUS，IBUS-RA PC+1-PC PC+1,IBUS-PC,T+1(CLK)DST3 DI-RBRE,W-B,R-IBUS,IBUS-RB PC+1-PC PC+1,IBUS-PC,T+1(CLK)DST4 RA+RB-MAR ADDC,ALU-IBUS,IBUS-MAR，1-T0(CLK),1-SRC(CLK)SRC0 CL-RBL RE,W-B,R-IBUS,IBUS-RBL，1-T0(CLK),1-EXC(CLK)EXC0 RBL-MDR RBL-IBUS，I-DBUS,BUS-MDR,T+1(CLK)EXC1 MDR-M MDR-DBUS，MWR，W-B，1-T0(CLK),1-FI(1-INT)(CLK),例2：拟出MOV 1234HDI，CL的指令流程与微操作时间表,3.双操作数的算逻指令流程(1）FI同MOV(2)DST：,（3）SRC：同DST类似,W,R,M,Rs,R,D R,DRb Ri,D16,SRC0,SRC1,SRC2,SRC3,SRC4,SRC5,EXC0,EXC1,SRC6,SRC7,Imd,Imd16,D16,D16,EXC2,4.单操作数的算逻指令流程（1）FI同双操作数的算逻指令；（2）DST与双操作数的算逻指令流程基本一致，只是 取出的目的操作数直接放在RA中，而不是SR中。（3）EXC流程如下,移位指令流程（1）FI和DST同双操作数的算逻指令（2）EXC如下,6、转移指令流程,取指,转移指令,PC MAR,PC MAR,M w MDR RA PC+1 PC,PC+1 PC,PC RB,PC RB,RA+RB PC,RA+RB PC,PC+1 PC,FI,JMP,JX,JO，JS，JP，JZ，JC,JX,EXC0,EXC1,EXC2,EXC3,EXC4,D8,M B MDR RA PC+1 PC,D16,设计控制部件的两种方式 组合逻辑控制和微程序控制,第三节 微程序控制部件的组成与设计,一、微程序控制概念,1、微程序执行过程的描述 一条指令对应的微程序的执行过程是：,（1）开机加电或复位时，由硬件将 PC设置为公共取指微程序的 第1条微指令所在的微地址值；（2）根据 PC的内容，将相应地址的微指令读入 IR中，译码后 发出微命令，在时序系统配合下，产生相应的微操作控制信 号，然后根据后继微地址的形成方式，修改 PC的内容，取 出后续微指令，直到完成一条机器指令的取指工作；（3）由IR中的操作码及微指令中指定的若干位微地址相拼接，通 过微地址形成电路，生成该条机器指令的微程序入口地址；（4）根据形成的微地址及后续微地址产生方式，将该条机器指令 相对应的微程序全部执行完毕，实现指令功能；（5）返回公共取指微程序，取出下一条机器指令，如此反复。,2、基本概念和术语（1）微命令与微操作,微命令：最小单位的控制信号，如开/关控制门等微操作：由微命令控制实现的基本操作,微命令字段（微操作控制字段）：记录各微操作所对应的控制信号顺序控制字段（微地址字段）：记录下一条将要执行的微指令地址微周期：从CM中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间,（2）微指令与微周期 微指令：若干个微命令的组合，实现可并行的操作,（4）工作程序与微程序、主存储器与CM工作程序：以机器指令为单位存放在主存中微程序：以微指令为单位存放在CM中不能互相取代,（3）相容性和相斥性微命令相容性微命令：在一个微周期可同时发出的微命令相斥性微命令：同一个微周期不能同时发出的微命令,（1）直接控制编码（不译码法）不译码：每一位代表一个微命令，1有效优缺点：控制 简单、速度 快、并行性 好 长度 长,二、微指令结构设计,1、微命令字段的设计,把相斥性微命令组合在同一字段中，采用编码方式存取。把相容性微命令组合在不同字段中，各段单独译码。,（2）字段直接编译法,（3）字段间接编译法,2、微程序的顺序控制（一）微程序入口地址的形成 应根据IR中的机器指令操作码来形成。例：由IR中的操作码及微指令中指定的若干位微地址相拼接,（二）后继微地址的形成（1）计数器增量方式：PC,顺序执行转移方式=J0，PC+1=PC，由 PC提供后继微地址 无条件转移：转移方式=J1，由转移微地址字段给出转移的微地址 条件转移：转移方式=J2，条件成立，则由转移微地址字段给出转移的微地址,（2）断定测试转移方式,微程序顺序执行时：由下地址字段直接提供后继微地址 微程序有分支时：由测试字段给出应测试的状态，根据测试的状 态标志位产生相应的后继微地址,三、微指令格式 1、水平型微指令 一条微指令中并行定义多个微命令，并且在数据通路 中能够并行执行多种微操作的微指令格式。一般采用 直接控制编码、字段直接编码及字段间接编码。并行性高，长度长,2、垂直型微指令 类似于机器指令操作码的设计方式，对微操作码 字段进行编码，并行能力低,四、微程序设计,1、模型机微指令结构,微地址,FFDH 101 00 0 00 000 111 00 0 0 000 000 00 00 1 0000,2、微程序编制,FFEH 110 00 1 00 000 110 10 0 1 000 000 01 01 1 0000,FFFH 000 00 0 00 000 000 00 0 0 000 000 00 00 1 0010,第四节 组合逻辑控制部件的组成与设计,PC-IBUS=FIT0+MOVDSTT1(D16+DR+DRbRi)+PC+1=FIT1+DSTT0+MOVDSTT2(D16+DR+DRbRi)+IBUS-IR=FIT1(CLK)T+1=FIT0+MOVDSTT0(Rd)+MOVDSTT1(R)+,一、微操作控制信号的逻辑综合,二、R地址的产生,第五节 CPU发展简介,多级Cache流水线技术RISC技术多核技术,0-PC,PC+1,ABUS,DBUS,CBUS,MAR-ABUS,MAR,R地址,R-IBUS,RE,WE,IBUS-MAR,移位寄存器SR,FR,PC,IBUS-PC,IR,IBUS-IR,CU,TS,控制信号,主存 Memory,MDR,MDR-DBUS,MDR-IBUS,RBL,IBUS-RBL,RBL-IBUS,ADDC,SUBC,IBUS,寄存器组,PC-IBUS,MUX,BUS-MDR,I-DBUS,HALT,偶体,奇体,MRD,MWR,W-B,W-B,RA,RB,ALU-IBUS,ANDC,ORC,IBUS-RA,IBUS-RB,SHLC,SALC,ROLC,IBUS-SR,SR-IBUS,W-B,MAR-IBUS,