计算机组成原理：第五章 中央处理器

发布于

5.1 CPU功能和组成

5.1.1 CPU的功能

  • 指令控制（程序的顺序控制）
  • 操作控制（一条指令由若干操作信号实现）
  • 时间控制（指令各个操作实施时间的定时）
  • 数据加工（算术运算和逻辑运算）

5.1.2 CPU的基本组成

  • 中央处理器CPU=运算器+控制器+Cache
  • 运算器：ALU+通用寄存器+数据缓冲寄存器+状态条件寄存器，进行算术逻辑运算
  • 控制器：
    • 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组成。
    • 功能： （1）指令Cache中取出一条指令，并指出下条指令的在指存中的地址 （2）对指令进行译码和分析，产生相应的控制信号，完成规定的动作 （3）指挥并控制CPU、数存和输入输出设备间数据的流动方向

5.1.3 CPU中的主要寄存器

1. 数据寄存器

数据寄存器（Data Register，DR）又称数据缓冲寄存器，其主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站，用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异。

数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向主存存入一条指令或一个数据字时，也将它们暂时存放在数据寄存器中。

数据寄存器的作用是 ：

（1）作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站；

（2）弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异；

（3）在单累加器结构的运算器中，数据寄存器还可兼作操作数寄存器。

2. 指令寄存器

指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在执行的一条指令。

当执行一条指令时，首先把该指令从主存读取到数据寄存器中，然后再传送至指令寄存器。

指令包括操作码和地址码两个字段，为了执行指令，必须对操作码进行测试，识别出所要求的操作，指令译码器（Instruction Decoder，ID）就是完成这项工作的。指令译码器对指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生指令所要求操作的控制电位，并将其送到微操作控制线路上，在时序部件定时信号的作用下，产生具体的操作控制信号。

指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。

3. 程序计数器

程序计数器（Program Counter，PC）用来指出下一条指令在主存储器中的地址。

在程序执行之前，首先必须将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地址送入PC，因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址。

当执行指令时，CPU能自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令的主存地址，为取下一条指令做好准备。若为单字长指令，则(PC)+1，若为双字长指令，则(PC)+2，以此类推。

但是，当遇到转移指令时，下一条指令的地址将由转移指令的地址码字段来指定，而不是像通常的那样通过顺序递增PC的内容来取得。

因此，程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。

4. 地址寄存器

地址寄存器（Address Register，AR）用来保存CPU当前所访问的主存单元的地址。

由于在主存和CPU之间存在操作速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来暂时保存主存的地址信息，直到主存的存取操作完成为止。

当CPU和主存进行信息交换，即CPU向主存存入数据/指令或者从主存读出数据/指令时，都要使用地址寄存器和数据寄存器。

如果我们把外围设备与主存单元进行统一编址，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样要使用地址寄存器和数据寄存器。

5. 累加寄存器

累加寄存器通常简称累加器（Accumulator，AC），是一个通用寄存器。

累加器的功能是：当运算器的算术逻辑单元ALU执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，可以为ALU暂时保存一个操作数或运算结果。

显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。

6. 程序状态字寄存器

程序状态字（Program Status Word，PSW）用来表征当前运算的状态及程序的工作方式。

程序状态字寄存器用来保存由算术/逻辑指令运行或测试的结果所建立起来的各种条件码内容，如运算结果进/借位标志（C）、运算结果溢出标志（O）、运算结果为零标志（Z）、运算结果为负标志（N）、运算结果符号标志（S）等，这些标志位通常用1位触发器来保存。

除此之外，程序状态字寄存器还用来保存中断和系统工作状态等信息，以便CPU和系统及时了解机器运行状态和程序运行状态。

因此，程序状态字寄存器是一个保存各种状态条件标志的寄存器

5.1.4 操作控制器和时序产生器

数据通路： 各寄存器传递信息的通路 操作控制器： 为数据通路的建立提供各种操作信号。操作信号提供的依据是指令操作码和时序信号，主要有三种类型：

  • 时序逻辑型：硬布线控制器
  • 存储逻辑型：微程序控制器
  • 混合型：前两者的组合

1. 硬布线控制器

硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的，其操作控制信号形成部件是由门电路组成的复杂树形网络。这种方法是分立元件时代的产物，以使用最少器件数和取得最高操作速度为设计目标。 硬布线控制器的最大优点是速度快，但是时序、控制信号形成部件的结构不规整，使得设计、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。

2. 微程序控制器

微程序控制器是采用存储逻辑来实现的，也就是把微操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序并存入一个专门的存储器(控制存储器)中，微操作控制信号由微指令产生。这是我们学习的重点。 微程序控制器的设计思想和时序逻辑设计思想截然不同。它具有设计规整、调试、维修以及更改、扩充指令方便的优点，易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。但是，由于它增加了一级控制存储器，所以指令执行速度比组合逻辑控制器慢。

3. 混合型

这种控制器称为PLA控制器，它是吸收前两种的设计思想来实现的。

5.2 指令周期

5.2.1 指令周期的基本概念

1. 指令周期

取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间，即取指周期+执行周期。

2. 机器周期

通常又称CPU周期或者总线周期，通常把一条指令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。不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。

一般按照主存的工作周期(存取周期)为基础来规定CPU周期，比如，可以用CPU读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。

3. 时钟周期

在一个机器周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而需要把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为一个节拍，就称为时钟周期，它是再不能进一步分割的最小时间单位。节拍常用具有一定宽度的电位信号表示，称之为节拍电位。

4. 三者关系

一条指令周期划分为若干个机器周期，一条指令周期划分为若干个机器周期。

5.2.2 MOV指令的指令周期

属于RR型指令，一共两个周期：取值周期和执行周期，占2个CPU周期。

1. 取指周期

  1. 在PC中获取指令地址。
  2. 指存中找到对应的指令，沿着指令总线IBUS传送到指令寄存器。
  3. 将指令存入指令寄存器。
  4. 程序计数器PC+1，指向下一条指令。
  5. 指令寄存器将指令送到指令译码器进行译码。

2. 执行周期

  1. 操作控制器产生1-5的指令，首先在对应寄存器中取出R1的值，放入ALU运算器。
  2. 经过ALU运算，由于是MOV转移指令，无需处理。
  3. ALU输出结果，进入数据总线。
  4. 数据总线中的数据存入数据寄存器DR。
  5. 将寄存器R0的数据修改。

5.2.3 LAD指令的指令周期

分为取值周期和执行周期，但是由于是RS型，执行周期需要两个CPU周期，第一个CPU周期先将操作数的地址送如地址寄存器，第二个CPU周期则进行执行。

取值周期和MOV指令相同，下面看执行周期：

  1. 图中指令寻址为直接寻址，先将有效地址放入数据总线。
  2. 通过数据总线，有效地址存入地址寄存器，到此需要一次CPU周期。
  3. 找到内存中对应的数据，将数据放入数据总线。
  4. 数据存入数据寄存器。
  5. 修改R1的数据。

5.2.4 ADD指令的指令周期

取值周期和MOV的差不多，不在重复，看一下指令执行周期：

  1. 分别取出R1和R2的数据，放入ALU。
  2. 经过R1和R2的数据经过ALU运算。
  3. ALU的数据进入数据总线。
  4. 数据存入数据寄存器，同时修改状态字寄存器。
  5. 将数据存入R2。

5.2.5 STO指令的指令周期

STO属于RS型指令，同样需要3个CPU周期 指令执行周期如下：

  1. 找到R3中的数据，该数据是第二操作数的有效地址。
  2. 将R3的数据放入数据总线。
  3. R3数据存入地址寄存器。
  4. 取出R4中的数据。
  5. R4数据存入数据总线。
  6. 根据地址寄存器的地址，修改地址为30的数据。

5.2.6 JMP指令的指令周期

  1. 操作数进入数据总线。
  2. 将PC的数据改为总线中的数据即101，表示下一次执行101指令。

5.2.7用方框图语言表示的指令周期

  • 方框：按CPU周期（方框内内容——数据通路操作或控制操作）
  • 菱形框：判别或测试
  • 流线：表示指令的运行顺序
  • ~：公操作

如下图为例： 第一个方框为取值周期，需要一个CPU周期。菱形框译码，判别是下面五个指令中的哪个。其中LAD和STO指令为RS型指令，需要两个CPU周期进行执行。

双总线结构机器的数据通路图：

有A、B总线，通过微操作信号（如 $PC_i,IR_i,IR_0$ 等），中间的部件与总线相连形成数据通路，微操作信号为高电平表示该部件与对应总线相连（如$IR_i$为1表示IR部件和A总线互通），最右边的G的电平为1表示AB总线相连。

指令执行过程的微操作信号（每个方框右边）如下：

5.3 时序产生器和控制方式

5.3.1 时序产生器作用和体制

1. 作用

  • CPU中的控制器用它指挥机器的工作
  • CPU可以用CPU周期信息来辨认从内存中取出的是指令（取指）还是数据（执行）
  • 一个CPU周期中时钟脉冲对CPU的动作有严格的约束
  • 操作控制器发出的各种控制信号是时间（时序信号）和空间（部件操作信号）的函数。

2. 体制

组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号的基本体制是 电位—脉冲制（以触发器为例）

  • 硬布线控制器，采用主状态周期—节拍电位—节拍脉冲三级体制,时序信号产生电路复杂。
  • 微程序控制器，采用节拍电位—节拍脉冲二级体制，利用微程序顺序执行来实现微操作，时序信号产生电路简单。

5.3.2 时序信号产生器（简单了解）

功能： 产生时序信号，各型计算机产生时序电路不相同，大、中型计算机的时序电路复杂，微型计算机的时序电路简单。 构成： 时钟源、环形脉冲发生器、节拍脉冲和读写时序译码逻辑、启停控制逻辑。

1. 时钟脉冲源

时钟脉冲源用来为环形脉冲发生器提供稳定且电平匹配的方波时钟信号。它通常用石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈震荡电路组成。

2. 环形脉冲发生器

作用：产生一组有序间隔相等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生最后所需要的节拍脉冲。 毛刺产生原因：电路内部原因以及寄存器参数的影响，避免方法：采用循环移位寄存器 电路分析：S为置位端，R为复位端

3. 节拍脉冲和读/写时序的编码

节拍脉冲的译码逻辑（一个CPU周期包含4个等间隔的节拍脉冲）

4. 启停控制逻辑

  • 启动、停机是随机的，对读/写时序信号也需要由启停逻辑加以控制。
  • 当运行触发器为“1”时，打开时序电路。当计算机启动时，一定要从第1个节拍脉冲前沿开始工作。
  • 当运行触发器“0”时，关闭时序产生器。停机时一定要在第4个节拍脉冲结束后关闭时序产生器。

5.3.3 控制方式

机器指令所包含的CPU周期数反映了指令的复杂程度，不同CPU周期出现的操作控制信号的数目和出现的先后次序也不相同。

控制方式： 控制不同操作序列时序信号的方法。

分类：

  • 同步控制方式：完全统一的机器周期执行各种不同的指令，即不管指令多长，都按照某个固定的周期执行
  • 异步控制方式：每条指令、每个操作信号需要多长时间就占多长时间
  • 联合控制方式：大部分指令采用同步控制方式完成，少数难以确定的操作采用异步方式，机器周期的节拍脉冲固定，但是各指令的机器周期数不固定（微程序控制器采用）。

5.4 微程序控制器

基本思想：仿照解题的方法，把操作控制信号编制成微指令，存放到CPU中的控制存储器里，运行时，从控存中取出微指令，产生指令运行过程中所需的各种操作控制信号。从上述可以看出，微程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。

5.4.1微程序控制原理

组成计算机的部件可以分为两大类：控制部件和执行部件。

1. 微命令

控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫作微命令，它是构成控制序列的最小单位。

例如：打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器的打入脉冲等。 微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令。

2. 微操作

执行部件接受微命令后所完成的操作叫微操作。

微命令和微操作是一一对应的。 微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。 微操作是执行部件中最基本的操作。

分类： 互斥性的微操作，是指不能同时或不能在同一个CPU周期内可以并行执行的微操作。可以编码实现（类似状态压缩二进制表示） 相容性的微操作，是指能够同时或在同一个CPU周期内并行执行的微操作。必须各占一位。

3. 微指令

把在同一个CPU周期内一组实现一定操作功能的微命令的组合叫做一条微指令（Microinstruction）。 它是并行执行的微操作控制信息，存储在控制存储器里。它是微命令的组合，微指令存储在控制器中的控制存储器中。 一条微指令通常至少包含两大部分信息：

  • 操作控制字段，又称微操作码字段，用以产生某一步操作（CPU周期）所需的各个微操作控制信号。 某位为1，表明发微命令，微指令发出的控制信号都是节拍电位信号，持续时间为一个CPU周期，微命令信号还要引入时间控制。
  • 顺序控制字段，又称微地址码字段，用以控制产生下一条要执行的微指令地址。

图中的微指令由17位操作控制字段和6位顺序控制字段组成，每一位表示一个微命令，当某位上为1表示发出该命令，如第十位为1，表示向ALU发出“+”的微命令，ALU执行“+”的微操作。微指令给出的控制信号都是节拍电位信号，它们的持续时间都是一个CPU周期。

微指令顺序控制字段的后四位给出下一条微指令地址，19,19位为判别位，当两位都为0时直接将控制字段的后四位作为下一条微指令地址，否则进行判别测试，对20-23的某几位进行修改后再作为下一条微指令地址。

4. 微程序

实现一条机器指令功能的一系列微指令的有序集合就是微程序，一段微程序对应一条机器指令。 微地址： 存放微指令的控制存储器的单元地址

5.微程序控制器原理框图

  • 控制存储器(CM) 这是微程序控制器的核心部件，用来存放微程序。其性能(包括容量、速度、可靠性等)与计算机的性能密切相关。
  • 微指令寄存器(μIR) 用来存放从CM取出的正在执行的微指令的信息
    • 微地址寄存器(μMAR)：决定将要访问的下一条微指令的地址
    • 微命令寄存器（它是 构成μIR的一部分）：保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息
  • 地址转移逻辑（微地址形成部件） 用来产生初始微地址和后继微地址，以保证微指令的连续执行。一般情况下，微指令由控存读出后就直接给出了下一条微指令的所在地址；当微程序发生转移时，需要通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，来修改微地址寄存器的内容来形成。

6. CPU周期和微指令周期的关系

为了保证整个机器控制信号的同步和设计的简易性，通常将一个微指令周期设计的恰好和CPU周期时间相等。

7.机器指令和微指令的关系

(1)一条机器指令对应着一段微程序 (2)对应的硬件设备不同 (3)每个CPU周期就是一条微指令

5.4.2微程序设计技术

设计微指令应当追求的目标：

  • 有利于缩短微指令的长度
  • 有利于缩小CM的容量
  • 有利于提高微程序的执行速度
  • 有利于对微指令的修改
  • 有利于提高微程序设计的灵活性

1.微命令的编码方法

  • 直接表示法：操作控制字段中的各位分别可以直接控制计算机，不需要进行译码。
    • 优点：结构简单，并行性强，操作速度快，输出直接用于控制。
    • 缺点：微指令字太长，使得控制存储器容量较大。许多微命令是互斥的，不允许并行操作，将它们安排在一条微指令中是毫无意义的，只会使信息的利用率下降。
  • 编码表示法：将操作控制字段分为若干个小段，每段内采用最短编码法，段与段之间采用直接控制法。
    • 优点：可用较小的二进制信息位表示较多的微命令信号，使微指令字大大缩短。
    • 缺点：增加译码电路，执行速度稍稍减慢。
  • 混合编码法：将前两种结合在一起，兼顾两者特点。一个字段的某些编码采用直接控制法；而另一些采用最短编码法。

2. 微指令地址的形成

入口地址：每条机器指令对应一段微程序，当公用的取指微程序从主存中取出机器指令之后，由机器指令的操作码字段指出各段微程序的入口地址，这是一种多分支(或多路转移)的情况。 后继微地址的产生方式主要有两种：

  • 计数器方式 （增量方式）
  • 多路转移方式 （断定方式）

入口地址形成： 如果机器指令操作码字段的位数和位置固定，可以直接使用操作码与微程序入口地址的部分位相对应。 后继微地址形成方法：

  • 计数器方式
    • 方法： 微程序顺序执行时，其后继微地址就是现行微地址加上一个增量(通常为1)；当微程序遇到转移或转子程序时，由微指令的转移地址段来形成后继微地址。
    • 优点是简单、易于掌握，编制微程序容易
    • 缺点是这种方式不能实现两路以上的并行微程序转移，因而不利于提高微程序的执行速度。
  • 多路转移的方式：根据条件转移，如状态条件/测试/操作码。在多路转移中，微程序不产生分支则后继微地址直接由微指令的顺序控制字段给出；当出现分支时，有若干个“候选”的微指令，根据条件选择其一。

例题： 微地址寄存器有6位(μA5-μA0)，当需要修改其内容时，可通过某一位触发器的强置端S将其置“1”。现有三种情况： (1)执行“取指”微指令后，微程序按IR的OP字段(IR3-IR0)进行16路分支； (2)执行条件转移指令微程序时，按进位标志C的状态进行2路分支； (3)执行控制台指令微程序时，按IR4，IR5的状态进行4路分支。 请按多路转移方法设计微地址转移逻辑。 解： 按所给设计条件，微程序有三种判别测试，分别为P1，P2，P3。 由于修改μA5-μA0内容具有很大灵活性，现分配如下： (1)用P1和IR3-IR0修改μA3-μA0； (2)用P2和C修改μA0； (3)用P3和IR5，IR4修改μA5，μA4。 另外还要考虑时间因素T4(假设CPU周期最后一个节拍脉冲)，故转移逻辑表达式如下：

代码语言：javascript
复制
μA5=P3·IR5·T4
μA4=P3·IR4·T4
μA3=P1·IR3·T4
μA2=P1·IR2·T4
μA1=P1·IR1·T4
μA0=P1·IR0·T4+P2·C·T4

由于从触发器强置端修改，故前5个表达式可用“与非”门实现，最后一个用“与或非”门实现。 下图仅画出了μA2、μA1、μA0触发器的微地址转移逻辑图。

3. 微指令格式

水平型微指令： 水平型微指令是指一次能定义并能并行执行多个微命令的微指令。

它具体又分为三种：全水平型，字段译码法水平型，混合型

  • 优点： 微指令字较长，速度较快。执行的微操作有高度的并行性。微指令译码简单。控制存储器的纵向容量小，灵活性强。
  • 缺点： 微指令字比较长，明显地增加了控制存储器的横向容量。水平微指令与机器指令差别很大，一般要熟悉机器结构、数据通路、时序系统以及指令执行过程的人才能进行微程序设计，这对用户来说是很困难的。

垂直型微指令：采用编码方式

设置微操作控制字段时，一次只能执行一个微命令的微指令称为垂直型微指令。

垂直型微指令的特点：

微指令字短，一般为10～20位左右。

微指令的并行微操作能力有限，一条微指令一般只包含一个微操作命令。

微指令译码比较复杂。全部微命令用一个微操作控制字段进行编码，微指令执行时需进行完全译码。

设计用户只需注意微指令的功能，而对微命令及其选择、数据通路的结构则不用过多地考虑，因此，便于用户编制微程序。而且，编制的微程序规整、直观，便于实现设计的自动化。

垂直微指令字较短，使控制存储器的横向容量少。

用垂直微指令编制微程序要使用较多的微指令，微程序较长；要求控制存储器的纵向容量大。垂直微指令产生微命令要经过译码，微程序执行速度慢。

不能充分利用数据通路具有的多种并行操作能力

4. 动态微程序设计

  • 对应于一台计算机的机器指令只有一组微程序，这一组微程序设计好之后，一般无须改变而且也不好改变，这种微程序设计技术称为静态微程序设计。
  • 采用EPROM或者Flash存贮器作为控制存储器，可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计。

5.5 硬布线控制器

5.5.1 实现方法

通过逻辑电路直接连线而产生的，又称为组合逻辑控制方式

5.5.2设计目标

使用最少元件（复杂的树形网络），速度最快。

5.5.3 逻辑原理

1. 逻辑原理图

C = f(I_m,M_i,T_k,B_j) C 为微操作控制信号，I_m 为译码器输出，M_i为节拍电位，T_k为节拍脉冲，B_j为状态条件，C由组合电路实现，速度快，但难以修改。

2. 指令的执行流程

微程序控制器时序信号简单。只需要若干节拍脉冲信号即可。 组合逻辑控制器除了节拍脉冲信号外，还需要节拍电位信号。

3. 微操作控制信号产生

在微程序控制器中，微操作控制信号由微指令产生，并且可以重复使用。 在硬联线控制器中，某一微操作控制信号由布尔代数表达式描述的输出函数产生。C = f(I_m,M_i,T_k,B_j) 设计微操作控制信号的方法和过程是，根据所有机器指令流程图，寻找出产生同一个微操作信号的所有条件，并与适当的节拍电位和节拍脉冲组合，从而写出其布尔代数表达式并进行简化，然后用门电路或可编程器件来实现。

5.5.4设计步骤

1. 画出指令流程图

2. 列出微操作时间表

将指令流程图中的微操作合理地安排到各个机器周期的相应节拍和脉冲中去； 微操作时间表形象地表明：什么时间、根据什么条件发出哪些微操作信号。

3. 进行微操作信号的综合

当列出所有指令的微操作时间表之后，需要对它们进行综合分析，把凡是要执行某一微操作的所有条件(哪条指令、哪个机器周期、哪个节拍和脉冲等)都考虑在内，加以分类组合，列出各微操作产生的逻辑表达式，然后加以简化，使逻辑表达式更为合理。

4. 电路实现

根据整理并化简的逻辑表达式组，可以用一系列组合逻辑电路加以实现，根据逻辑表达式画出逻辑电路图，用逻辑门电路的组合来实现之，也可以直接根据逻辑表达式，用PLA或其他逻辑电路实现。

5.6 流水CPU

5.7 RISC CPU

#单片机