[工学]组成原理与汇编语言课件(PPT 30页).pptx

1、本次课程要点：本次课程要点：1 1、掌握、掌握CPUCPU的总体结构及设计。的总体结构及设计。2 2、掌握指令周期与指令流程。、掌握指令周期与指令流程。第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器第1页，共30页。（1 1）CPUCPU的功能的功能一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计1 1、CPUCPU的功能及基本组成的功能及基本组成第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器CPUCPU功能：功能：控制计算机运行存储在主存储器的程序，完成控制计算机运行存储在主存储器的程序，完成人们对问题的求解工作。其任务是控制着机器到主人们对问题的求解工作。其任务是控

2、制着机器到主存中取出指令，根据指令功能执行该指令，然后，存中取出指令，根据指令功能执行该指令，然后，再取出下一条指令继续执行。再取出下一条指令继续执行。程序控制功能、数据处理功能、操作定序功能程序控制功能、数据处理功能、操作定序功能第2页，共30页。（2 2）CPUCPU的基本组成的基本组成一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计1 1、CPUCPU的功能及基本组成的功能及基本组成第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器p 控制部件控制部件(CU)CU)p 算术逻辑运算部件（算术逻辑运算部件（ALUALU）p Cache Cache存储器存储器p 中断系统中断系统p

3、 各种寄存器各种寄存器p CPU CPU内部数据通路内部数据通路第3页，共30页。（1 1）CPUCPU设计大致步骤设计大致步骤一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计2 2、模拟机、模拟机CPUCPU的总体结构的总体结构第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器1 1、确定总体结构，设计数据通路及相应控制信号；、确定总体结构，设计数据通路及相应控制信号；2 2、设计指令系统及时序系统，拟定指令流程，确定微操、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；作控制信号；3 3、设计产生各种微操作控制信号的控制部件、设计产生各种微操作控制信号的控制部件 两种类

4、型两种类型组合逻辑控制器、微程序控制器组合逻辑控制器、微程序控制器第4页，共30页。p 单单BUSBUS结构：结构：CPUCPU、存储器及、存储器及I/OI/O部件挂接在一部件挂接在一组系统总线上，同步方式工作。有组系统总线上，同步方式工作。有1616位地址总线位地址总线（ABUSABUS），），1616位数据总线（位数据总线（DBUSDBUS），控制总线（），控制总线（CBUSCBUS）。）。模拟机的模拟机的CPUCPU主要包括：主要包括：ALUALU，RegistersRegisters，RBLRBL（总线（总线暂存器），暂存器），SRSR（移位寄存器），（移位寄存器），PCPC，IRIR

5、，MARMAR（主存地（主存地址寄存器），址寄存器），MDRMDR（主存数据寄存器），（主存数据寄存器），CUCU，TSTS（时（时序系统）等。序系统）等。（2 2）模拟机主机系统数据通路结构及设计）模拟机主机系统数据通路结构及设计一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计2 2、模拟机、模拟机CPUCPU的总体结构的总体结构第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器第5页，共30页。0-PCPC+1ABUSDBUSCBUS MAR-ABUSMARR地址地址R-IBUSREWEIBUS-MAR移位移位寄存寄存器器SRFRPCIBUS-PCIRIBUS-IRCUTS控制信

6、号控制信号主存主存 Memory MDRMDR-DBUS MDR-IBUSRBLIBUS-RBLRBL-IBUSALUADDCSUBC IBUS寄寄存存器器组组PC-IBUSMUXBUS-MDRI-DBUSHALT0000H0002HFFFEH0001H0003HFFFFH偶体偶体奇体奇体MRDMWR W-BW-BRARBALU-IBUSANDCORC IBUS-RA IBUS-RBSHLCSALCROLCIBUS-SRSR-IBUSW-B MAR-IBUS第6页，共30页。（1 1）CPUCPU内总线（内总线（IBUSIBUS）一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计3 3、模拟

7、机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计的基本组成及控制信号的设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器p双向单总线双向单总线pIBUSIBUS重用重用p单发送多接收单发送多接收p三态门隔离三态门隔离p不具有保存信息的功能不具有保存信息的功能第7页，共30页。（2 2）算术逻辑运算部件）算术逻辑运算部件一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u 算术逻辑运算部件由算术逻辑运算部件由ALU，RA，RB，三态

8、门及三态门及FR（标志寄存器）组成。（标志寄存器）组成。uALU部件基本运算部件基本运算：ADDC，SUBC，ANDC，ORC，XORC，NOTC，INCAC，DECAC等等思考：将内部总线上两个数相加送还给内部总线，则思考：将内部总线上两个数相加送还给内部总线，则需要发出的控制信号？需要发出的控制信号？第8页，共30页。（3 3）寄存器组）寄存器组一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u 8个个16位的寄存器：位的寄存器：AX，BX，CX，DX，SI，DI，BP，SP；u 4个控制信号：个控制信号：RE，WE，W-B，R-

9、IBUS3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第9页，共30页。的SIDIBPSPDLDHCLCHBLBHALAHSIDIBPSPDLDHCLCHBLBHALAHR地址地址R-IBUSW-B地址R字字/字节字节操作操作写某个通用写某个通用寄存器寄存器读某个通用读某个通用寄存器寄存器将某通用寄将某通用寄存器内容送存器内容送内总线内总线数据RREWE第10页，共30页。（3 3）寄存器组（续）寄存器组（续）一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u例例1：IBUS AX

10、R地址(AX),WE,W-BBX IBUS R地址(BX),RE,W-B，R-IBUS3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第11页，共30页。（4 4）总线暂存器（）总线暂存器（RBL）一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器例：例：AX W RBL：R地址（地址（AX），RE，W-B、R-IBUS、IBUS-RBLu 总线暂存器为总线暂存器为16位，用来暂存或锁住位，用来暂存或锁住CPU内部总线内部总线IBUS上的数据。上的数据。u 2个控制信号：个控制信号：IB

11、US-RBL，RBL-IBUS3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第12页，共30页。（5 5）移位寄存器（）移位寄存器（SR）一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u 移位寄存器为移位寄存器为16位，用来暂存位，用来暂存CPU内部总线内部总线IBUS上上的数据，并且具有移位功能。的数据，并且具有移位功能。u 9个控制信号：个控制信号：IBUS-SR，SR-IBUS，SHLC，SHRC，SALC，SARC，ROLC，RORC，W-B例例3 3：将：将RBL中一个字

12、内容算术左移一位中一个字内容算术左移一位 RBL-IBUS，IBUS-SR，SALC，W-B，SR-IBUS，IBUS-RBL3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第13页，共30页。（6 6）程序计数器（）程序计数器（PC）一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u 程序计数器为程序计数器为16位，保存位，保存CPU将要访问的程序中指将要访问的程序中指令的主存地址。令的主存地址。u 4个控制信号：个控制信号：IBUS-PC，PC+1，0-PC，PC-IBUS3 3、

13、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第14页，共30页。（7 7）指令寄存器（）指令寄存器（IR）一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u 指令寄存器为指令寄存器为16位，保存位，保存CPU正在执行指令的高正在执行指令的高16位。位。u 1个控制信号：个控制信号：IBUS-IR3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第15页，共30页。（8 8）主存地址寄存器（）主存地址寄存器（MAR）一、一、CPUCPU的总体结

14、构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u 指令寄存器为指令寄存器为16位，保存位，保存CPU向系统总线的地址总向系统总线的地址总线线ABUS发送的地址信息，作为发送的地址信息，作为CPU访问主存的地址访问主存的地址信息。信息。u 3个控制信号：个控制信号：IBUS-MAR，MAR-IBUS,MAR-ABUS3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第16页，共30页。（9 9）主存数据寄存器（）主存数据寄存器（MDR）一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4

15、4章章 中央处理器中央处理器u 指令寄存器为指令寄存器为16位，保存位，保存CPU与主存之间进行信息与主存之间进行信息交换的数据。交换的数据。u 4个控制信号：个控制信号：BUS-MDR，I-DBUS，MDR-DBUS，MDR-IBUS 例例4 4：从内存取值到：从内存取值到IRIR中。中。PC-IBUS、IBUS-MAR MAR-ABUS，MRD，W-B，BUS-MDR，I-DBUS MDR-IBUS、IBUS-IR3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第17页，共30页。（1010）控制部件（）控制部件（CU）一、一、CPUCPU

16、的总体结构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u 根据指令操作码的不同，与时序系统配合产生相应根据指令操作码的不同，与时序系统配合产生相应的控制信号，以控制机器正确运行。的控制信号，以控制机器正确运行。（1111）时序系统（）时序系统（TS）u 开机后，负责循环往复地产生使机器运转的周、开机后，负责循环往复地产生使机器运转的周、节拍及工作脉冲等信号，使控制部件在时序系统的节拍及工作脉冲等信号，使控制部件在时序系统的配合下，能够在相应的时刻产生相应的控制信号。配合下，能够在相应的时刻产生相应的控制信号。3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信

17、号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第18页，共30页。（1212）主存（）主存（Memory）一、一、CPUCPU的总体结构及设计的总体结构及设计第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u 按照字节编址，主存地址为按照字节编址，主存地址为16位，共位，共64KB，有偶，有偶体和奇体之分。体和奇体之分。u 3个控制信号：个控制信号：MRD，MWD，W-B 例例5 5：把：把MDRMDR中的中的1616位字数据按照位字数据按照MARMAR提供的地提供的地址写入到主存字单元中。址写入到主存字单元中。MAR-ABUSMAR-ABUS，MDR-DBUSMDR-DBUS，MWR

18、MWR，W-BW-B（W-B=1W-B=1）3 3、模拟机、模拟机CPUCPU的基本组成及控制信号的设计（续）的基本组成及控制信号的设计（续）第19页，共30页。二、指令周期与指令流程二、指令周期与指令流程第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器u 机器执行一条指令的过程，通常分成几个不同机器执行一条指令的过程，通常分成几个不同的阶段，利用相应的节拍及脉冲完成指令的执行。的阶段，利用相应的节拍及脉冲完成指令的执行。1 1、指令系统的基本概念、指令系统的基本概念第20页，共30页。指令周期是指从取指令、分析取数到执行指令周期是指从取指令、分析取数到执行完该指令所需的全部时间。由于

19、各种指令的操完该指令所需的全部时间。由于各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此各种作功能不同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周期不尽相同。指令的指令周期不尽相同。二、指令周期与指令流程二、指令周期与指令流程第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器1 1、指令系统的基本概念（续）、指令系统的基本概念（续）（1 1）指令周期）指令周期第21页，共30页。机器周期又称机器周期又称CPU周期。通常把一个指令周期。通常把一个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期完周期划分为若干个机器周期，每个机器周期完成一个基本操作。一般机器的成一个基本操作。一般机器的CPU周期有

20、取指周期有取指周期、取数周期、执行周期、中断周期等。所周期、取数周期、执行周期、中断周期等。所以有：以有：指令周期指令周期i机器周期机器周期二、指令周期与指令流程二、指令周期与指令流程第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器1 1、指令系统的基本概念（续）、指令系统的基本概念（续）（2 2）机器周期）机器周期第22页，共30页。不同的指令周期中所包含的机器周期数差别不同的指令周期中所包含的机器周期数差别可能很大。一般情况下，一条指令所需的最短时可能很大。一般情况下，一条指令所需的最短时间为两个机器周期：取指周期和执行周期。间为两个机器周期：取指周期和执行周期。通常，每个机器周期

21、都有一个与之对应的周通常，每个机器周期都有一个与之对应的周期状态触发器。机器运行在不同的机器周期时，期状态触发器。机器运行在不同的机器周期时，其对应的周期状态触发器被其对应的周期状态触发器被置置“1”1”。显然，在机显然，在机器运行的任何时刻只能处于一种周期状态，因此，器运行的任何时刻只能处于一种周期状态，因此，有且仅有一个触发器被置有且仅有一个触发器被置“1”1”。二、指令周期与指令流程二、指令周期与指令流程第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器1 1、指令系统的基本概念（续）、指令系统的基本概念（续）（2 2）机器周期（续）机器周期（续）第23页，共30页。二、指令周期与

22、指令流程二、指令周期与指令流程第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器1 1、指令系统的基本概念（续）、指令系统的基本概念（续）（3 3）时钟周期（节拍）时钟周期（节拍）在一个机器周期内，要完成若干个微操作。因而应把一个机在一个机器周期内，要完成若干个微操作。因而应把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称为时钟周期（节拍电位信号）。号，称为时钟周期（节拍电位信号）。节拍的宽度取决于节拍的宽度取决于CPU完成一次微操作的时间。节拍的选取完成一次微操作的时间。节拍的选取一般有以下几种方法：一般有以

23、下几种方法：(a)(a)统一节拍法统一节拍法 以最复杂的机器周期为准定出节拍数，每一个节拍时间的长短以最复杂的机器周期为准定出节拍数，每一个节拍时间的长短也以最繁的微操作作为标准。这种方法采用统一的、具有相等时间间也以最繁的微操作作为标准。这种方法采用统一的、具有相等时间间隔和相同数目的节拍，使得所有的机器周期长度都是相等的，因此称隔和相同数目的节拍，使得所有的机器周期长度都是相等的，因此称为为定长定长CPU周期周期。第24页，共30页。节拍节拍时钟周期时钟周期CLKCLK取指周期取指周期执行周期执行周期指令周期指令周期T1T1T2T2T3T3T4T4图图1 1 定长机器周期示意图定长机器周期

24、示意图第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器第25页，共30页。(b)分散节拍法分散节拍法 按照机器周期的实际需要安排节拍数，按照机器周期的实际需要安排节拍数，需要多少节拍，就发出多少节拍，这样可以避需要多少节拍，就发出多少节拍，这样可以避免浪费，提高时间利用率。由于各机器周期长免浪费，提高时间利用率。由于各机器周期长度不同，故称为度不同，故称为不定长不定长CPU周期周期。二、指令周期与指令流程二、指令周期与指令流程第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器1 1、指令系统的基本概念（续）、指令系统的基本概念（续）（3 3）时钟周期（节拍）（续）时钟周期（节拍）

25、（续）第26页，共30页。T1 T2 T3 T1 T2 T3 T1 T2 T3 T4 T1 T2 T3 T1 T2 T3 T1 T2 T3 T4 节拍节拍CLKCLK取指周期取指周期取数周期取数周期执行周期执行周期指令周期指令周期第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器图图2 2 不定长机器周期示意图不定长机器周期示意图第27页，共30页。(c)延长节拍法延长节拍法 在照顾多数机器周期要求的情况下，选在照顾多数机器周期要求的情况下，选取适当的节拍数，作为基本节拍。如果在某个取适当的节拍数，作为基本节拍。如果在某个机器周期内统一的节拍数无法完成该周期的全机器周期内统一的节拍数无法

26、完成该周期的全部微操作，则可以延长一或两个节拍。部微操作，则可以延长一或两个节拍。二、指令周期与指令流程二、指令周期与指令流程第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器1 1、指令系统的基本概念（续）、指令系统的基本概念（续）（3 3）时钟周期（节拍）（续）时钟周期（节拍）（续）第28页，共30页。(d)时钟周期插入时钟周期插入 在一些微型机中，时序信号中不设置节拍，在一些微型机中，时序信号中不设置节拍，而直接使用时钟周期信号。一个机器周期中含而直接使用时钟周期信号。一个机器周期中含有若干个时钟周期，时钟周期的数目取决于机有若干个时钟周期，时钟周期的数目取决于机器周期内完成微操作

27、数目的多少及相应功能部器周期内完成微操作数目的多少及相应功能部件的速度。一个机器周期的基本时钟周期数确件的速度。一个机器周期的基本时钟周期数确定之后，还可以不断插入等待时钟周期。如定之后，还可以不断插入等待时钟周期。如8086的一个总线周期中包含四个基本时钟周期的一个总线周期中包含四个基本时钟周期T1T4，在，在T3和和T4之间可以插入任意个等待时之间可以插入任意个等待时钟周期钟周期TW，以等待速度较慢的存储部件或外部以等待速度较慢的存储部件或外部设备完成读或写操作。设备完成读或写操作。二、指令周期与指令流程二、指令周期与指令流程第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器（3 3）时钟周期（节拍）（续）时钟周期（节拍）（续）第29页，共30页。作业：作业：第二部分：第第二部分：第4 4章章 中央处理器中央处理器第30页，共30页。