中央处理器

5.1 CPU的功能和组成

1.CPU的功能

控制程序按设定的方式执行的计算机部件成为中央处理器，简称CPU

具有一下四方面的基本功能：

a.指令控制 程序的顺序控制，称为指令控制。

b.操作控制 一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合实现的，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信.号，把各种信号送往相应的部件，从而控制这些部件按照指令的要求进行动作

c.时间控制 对各种操作实施时间上的定时

d.数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理（由ALU完成，算术逻辑单元）

2.CPU的基本组成

早期的CPU由运算器和控制器两大部分组成。后来CPU的基本部分变成运算器、cache、控制器三大部分

控制器 由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、时序产生器 和 操作控制器（OC） 组成，主要功能有：

（1）从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置

（2）对指令进行译码和测试，并产生相应的操作控制信号

（3）指挥并控制CPU、数据cache和输入/输出设备之间数据流动的方向

运算器 由算术逻辑单元（ALU）、通用寄存器、数据缓冲寄存器（DR）和状态条件寄存器（PSW）组成。运算器接受控制器的命令而进行动作，是执行部件。主要有两个功能：

（1）执行所有的算术运算

（2）执行所有的逻辑运算

3.CPU中的主要寄存器

CPU中至少有六类寄存器：指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、数据地址寄存器（AR）、缓冲寄存器（DR）、通用寄存器、状态字寄存器（PSW）

（1）DR 暂时存放CPU与外界传送的数据，可以是指令字或者数据字，作用是 1）作为ALU运算结果和通用寄存器之间信息传送时间上的缓冲 2）补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别

（2）IR 用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从指令cache存储器（指存）中读出，然后再传送至IR 。指令划分为操作码和地址码字段；一个叫指令译码器 的部件可以译码，然后向操作控制器发出具体操作的特定信号。IR 中的操作码字段的输出就是指令译码器的输入

（3）PC 两种情况：顺序执行–> pc+1->pc ； 转移执行–>JMP 指令

（4）AR 主要用于解决主存/外设和CPU之间的速度差异。使地址信息可以保持到主存/外设的读写操作完成为止

（5）通用寄存器 当ALU执行运算时，为ALU提供一个工作区。例如，执行一次加法运算，选择两个操作数相加（假设存放在通用寄存器R0，R1），放到其中一个寄存器中（如R1）

（6）PSW 保存由ALU运算或测试结果的各种条件代码。如运算结果进位标志（C）、运算结果溢出标志（V）等等

4.操作控制器与时序产生器

寄存器之间传送信息的通路，称为数据通路 。操作控制器的部件需要完成的任务就是，在各寄存器之间建立数据通路。根据指令译码器传过来的指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，然后正确的选择数据通路，将有关数据打入到一个寄存器，从而完成取指令和执行指令的控制。

5.2 指令周期

1.指令周期基本概念 取出一条指令并执行这条指令总共需要的时间。指令周期通常由若干个CPU周期（又称机器周期或者时钟周期）数来表示。取指阶段需要一个CPU周期时间

2.MOV指令的指令周期，MOV R0,R1 RR型指令，需要两个CPU周期，取指周期需要一个，执行周期需要一个。

取指周期中CPU完成三件事：从指存中取出指令；对PC加1；将指令操作码输出到指令译码器进行译码或测试，以便进一步确定进行什么操作。

取指周期：

（1）PC–>AR

（2）M–>DR

（3）DR–>IR

（4）PC + 1–> PC

（5）指令寄存器中的操作码（OP）传入指令译码器译码

（6）CPU识别出MOV指令，取指周期结束

执行周期：

（1）OC送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作为源寄存器，选择R0作目标寄存器

（2）OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作

（3）OC送出控制信号，打开ALU输出三态门，将ALU输出送到数据总线DBUS上，注意：任何时候DBUS上只能有一个数据

（4）OC送出控制信号，将DR中的数据10打入到目标寄存器R0，R0的内容由00变成10

3.LAD指令的指令周期，LAD R1,6 RS型指令。先从指令寄存器（IR）取指，然后从数据存储器6号单元取出数据装入通用寄存器R1。由于一次访问指存，一次访问数存，需要3个CPU周期

取指周期：同上

执行周期：

（1）OC发出控制命令打开IR输出三态门，将指令中的直接地址码6放到数据总线DBUS

（2）OC发出操作命令，将地址码6装入数存地址寄存器AR

（3）OC发出读命令，将数存6号单元中的数100读入DBUS

（4）OC发出命令，将DBUS上的数据100装入DR

（5）OC发出命令，将DR中的数据100装入R1，LAD指令执行周期结束

4.ADD指令的指令周期，ADD R1，R2 RR型指令，取指访问、执行周期，一共需要两个CPU周期

取指周期：同上

执行周期：

（1）OC送出控制命令到通用寄存器，选择R1做源寄存器，R2做目标寄存器

（2）OC送出控制命令到ALU，指定ALU做R1和R2的加法操作

（3）OC送出控制命令，打开ALU输出三态门，运算结果放到DBUS上

（4）OC送出控制命令，将DBUS上数据打入DR；ALU产生的进位信号保存到PSW中

（5）OC送出控制命令，将DR装入R2，至此ADD指令执行周期结束

5.STO指令的指令周期，STO R2,(R3) RS型指令，先访问指存取出STO指令，然后按(R3)=30地址访问数存（访问30号地址单元），将(R2)=120写入到30号地址单元。一次访问指存，一次访问数存，所以需要3个CPU周期

取指周期：同上

执行周期：

（1）OC送出操作命令到通用寄存器，选择(R3)=30做数据存储器的地址单元

（2）OC送出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将30放到DBUS上

（3）OC发出操作命令，将地址30打入AR，并进行数存地址译码，地址30是从DBUS上得到（这里就是访问数存）

（4）OC发出操作命令到通用寄存器，选择(R2)=120，作为数存的写入数据

（5）OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将数据120放到DBUS上

（6）OC发出操作命令，将数据120写入数存30号单元。STO指令执行周期结束

6.JMP指令的指令周期，JMP 101 JMP是一条无条件转移指令，用来改变程序的执行顺序。指令周期为2个CPU周期，取指是一个CPU周期，执行周期是一个CPU周期

取指周期：同上

执行周期：

（1）OC发出操作控制指令，打开IR输出三态门，将IR中的地址码101发送到DBUS上

（2）OC发出操作控制指令，将DBUS上的地址码101打入到程序计数器PC中。JMP指令执行周期结束

7.用方框图语言表示指令周期

一个方框表示一个CPU周期，方框中内容表示数据通路的操作或者某种控制操作。一个菱形通常表示某种判别或者测试，不单独占用一个CPU周期

5.4微程序控制器

利用软件方法设计硬件的一门技术。

把操作控制信号，编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里。机器运行时，一条条读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，是相应部件执行所规定的操作

1.微命令和微操作

一台数字计算机基本可以划分为两部分——控制部件和执行部件。

控制部件，向执行部件发出控制信息；

执行部件，向控制部件返回状态信息。

控制部件和执行部件的一种联系，就是通过控制线。控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常这种控制命令就称作微命令；执行部件接收微命令后进行的操作，叫做微操做。

另一种联系是反馈信息，执行部件通过控制线向控制部件反映操作情况，也叫做“状态测试”。

微操作分为相容性和相斥性；相容性的微操做指可以在同时或同一个CPU周期内并行执行的微操做。例如ALU的+，-就是相斥性操作，ADD R1,R2，获取R1,R2就是相容性微操做。

2.微指令和微程序

在机器的一个CPU周期内，一组实现一定操作功能的微命令的组合是微指令。

微指令一般由操作控制和顺序控制两部分组成。

（1）操作控制部分用来发出控制信号，每一位都表示一个微指令，位信息为“1”表示发出微指令，“0”表示不发出。

（2）顺序控制部分用来决定产生下一条微指令的地址

微程序就是微指令构成的序列，每条机器指令都对应着一段微程序

3.微程序控制器原理

由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器

（1）控制存储器：存放实现全部指令系统的微程序，只读。要求速度快，读出周期短

（2）微指令寄存器：微命令寄存器存放控制存储器读出的一条微指令信息。微地址寄存器决定下一条微指令的地址

（3）地址转移逻辑：用于跳跃寻址微指令时，承担自动完成修改微地址的任务

4.微程序实例

见书 P 159-160

5.CPU周期与微指令周期的关系

串行方式的微程序控制器中，一个微指令周期等于一个CPU周期

6.机器指令与微指令的关系

（1）一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干微指令序列组成。

（2）指令与微指令、程序与微程序、地址与微地址一一对应。前者都是与内存储器有关，后者与控制存储器有关。

（3）一个CPU周期对应一条微指令

7.微程序设计技术

微指令编码

对微指令中的操作控制字段采用的表示方法

（1）直接表示法：操作字段中的每一位代表一个微指令。优点是简单直观；缺点是微指令字较长，因而使控制存储器容量较大

（2）编码表示法：把一组相斥性微指令信号组成一个字段，然后通过字段译码器对每一个微指令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号。优点是，采用较小的二进制信息表示较多的微命令信号，缩短微指令字长度；缺点是减缓微指令执行速度

（3）混合表示法：（1）（2）混合使用

微地址形成方法

微指令执行的顺序控制问题，是如何确定下一条微指令的地址问题，一般有两种产生后继地址的方法：

（1）计数器方式：同用程序计数器来产生机器指令地址的方法相似

（2）多路转移方式：一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。当微程序不产生分支时，后继微地址直接由微指令的顺序控制字段给出；当微程序出现分支时，有若干后继微地址可供选择：即按顺序控制字段的“判别测试”标志和“状态条件”信息来选择其中一个微地址。

微指令格式

分为水平型微指令和垂直型微指令

（1）水平型微指令：一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，一般格式：控制字段、判别测试字段、下地址字段

（2）垂直型微指令：微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能。垂直型微指令的结构类似与机器指令的结构，它有操作码。书P 164

5.5硬连线控制器

暂略

5.6流水线CPU

暂略

5.7 RISC CPU
基本特点：

（1）使用等长指令，目前典型长度为4B

（2）寻址方式少且简单，绝不出现存储器间接寻址方式

（3）只有取数指令、存数指令访问存储器。最多出现RS型指令，不会出现SS型指令

（4）指令集中的指令数目一般少于100，指令格式一般少于4种

（5）指令功能简单，控制器多采用硬布线方式

（6）平均而言，所有指令的执行时间为一个处理时钟周期

（7）指令格式中，用于指派整数寄存器的个数不少于32个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于16个

（8）强调通用寄存器资源的优化使用

（9）支持指令流水并强调指令流水的优化使用

（10）RISC技术的复杂性在于它的编译程序，因此软件系统开发时间比CISC机器长