计算机组成原理-第14-15讲(第5章).ppt

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1、第五章中央处理器5.1CPU的功能和基本结构5.2数据通路的结构和功能5.3指令周期5.4控制器的功能和工作原理5.5指令流水线0数据流指令流输入设备输出设备存储器运算器控制器CPU5.1CPU的功能和基本结构12地址数据或指令101MOVR0,R1102LADR1,6……ADDR1,R620570主存储器DBUS程序计数器PC+1指令译码器ID时序信号发生器与OCC1…Cn数据缓冲器DRrs……rs1通用寄存器GRALU状态字寄存器PSR…通往I/O接口OP码地址码IRABUS地址寄存器AR3CPU的组成CPU由运算器和控制器组成。控制器：发

2、出满足一定时序关系的控制信号，实现指令系统所规定的各条指令的功能，并保证计算机系统正常运行。组成程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器、时序产生器和操作控制信号形成部件。功能①取指令②分析指令③执行指令4控制器的组成脉冲源启停电路操作码地址码指令译码器时序控制信号形成部件PC数据总线DB地址总线AB控制总线CBCLKRESET+1指令指令地址运算器PSR转移地址数据操作数地址5操作控制器与时序产生器控制器和运算器中实现数据的流动和相关操作需要控制信号的控制。所有控制信号均由操作控制器与时序发生器（以下简称OC）产生。根据设计方法不同，OC产

3、生控制信号的方式有两种：微程序控制器（学习重点！）硬布线控制器6CPU的组成运算器：数据的加工处理部件。组成算术逻辑单元ALU、通用寄存器组、数据寄存器DR和程序状态字寄存器PSW。功能执行所有的算术和逻辑运算。785.2数据通路的结构和功能数据通路(datapath)：数字系统中，各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径。【举例】有如下的水流通道和阀门。水池PACB实现P→A①②③④打开阀门①打开阀门②9计算机中的数据通路A总线B总线IRinIRoutIRPCinPCoutPCARinMARR/WDRinDRoutDRR0inR0ou

4、tR0R1inR1outR1YinXinALUXY+-BUFALUoutG黄色的圆圈相当于上例的阀门，以控制数据流动10例①：MOVR1,R0的传送A总线B总线IRinIRoutIRPCinPCoutPCARinMARR/WDRinDRoutDRR0inR0outR003R1inR1outR103YinXinALUXY+-BUFALUoutG需要发送的控制信号：R0out、G、R1in11A总线B总线IRinIRoutIRPCinPCoutPCARinMARR/WDRinDRoutDRR0inR0outR003R1inR1outR104YinX

5、inXY+-BUFALUoutG①R0→X：R0out、G、Xin例②：实现ADDR0,R1ALU03②R1→Y：R1out、G、Yin04③加法运算：+④ALU→R0：ALUout、R0in。07完成功能：将R0和R1相加，结果送入R012理解数据通路的注意事项数据通路是控制器的一个非常重要的概念，理解上有困难。需要注意以下几个问题：①分析清楚指令的功能；②清楚数据从哪取，做什么样的运算，送哪去；③列举上述数据流需要流经的控制门。控制器的设计时，就是设计存储和按先后顺序发出这些控制信号的方法，控制指令和数据的正确流向，完成指令的执行。13练习

6、：分析取指令的数据通路A总线B总线IRinIRoutIRPCinPCoutPCARinMARR/WDRinDRoutDRR0inR0outR0R1inR1outR1YinXinALUXY+-BUFALUoutG①PC→AR：PCout、G、ARin②M→DR：R/W#=R③DR→IR：DRout、G、IRin译码过程。指令若包含数据，还需要IRout将数据送总线14数据通路的启示由于一条指令完成的功能不同，数据流通所花费的时间不同，因此执行时间也有所不同。我们通常将取指令到执行完这条指令整个过程所需要的时间称为指令周期。t指令MOVR1，R0A

7、DDR0，R1MOVR1，(R0)15数据通路的启示165.3指令周期计算机执行程序过程开始取出指令分析指令执行指令每条指令的取指时间、分析时间一致。区别在于指令的复杂程度不同，导致执行时间不同。因此一般将指令周期分为取指周期与执行周期。17几个概念时钟周期：处理操作的最基本单位。也成为节拍脉冲或者T周期。机器周期：也称为CPU周期。每个机器周期内完成一个基本操作，一般机器的CPU周期有取指周期、取数周期和执行周期等。指令周期：一条指令执行所需要的时间。包含若干机器周期。指令周期=n×机器周期机器周期与指令周期18时钟周期相邻两个脉冲之间的时间

8、间隔，称为一个时钟周期，又称T状态（T周期）。TCLK每个T状态包括：下降沿、低电平、上升沿、高电平19总线周期T1CLKT2T3T4总线周期总线周期