组成_05_CPU

5.1.1 CPU器的功能

指令控制

操作控制

时间控制

数据加工

CPU的基本部分由运算器、cache和控制器三大部分组成。

5.1.3 CPU中的主要寄存器

1.数据缓冲寄存器（DR）

2.指令寄存器（IR）

3.程序计数器（PC）

4.地址寄存器（AR）

5.累加寄存器（AC）

6.状态条件寄存器（PSW）

5.1.4 操作控制器与时序产生器

时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型三种。

1.硬布线控制器

是采用时序逻辑技术来实现的；

2.微程序控制器

是采用存储逻辑来实现的；

3.前两种方式的组合

5.2.1  指令周期的基本概念

指令周期  CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。

又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。

时钟周期  通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。

5.2.2  非访内指令的指令周期

1?取指令阶段?

(1)程序计数器PC的内容20(八进制)被装入地址寄存器AR；

(2)程序计数器内容加1，变成21，为取下一条指令做好准备；

(3)地址寄存器的内容被放到地址总线上；?

(4)所选存储器单元20的内容经过数据总线，传送到数据缓冲寄存器DR；

(5)缓冲寄存器的内容传送到指令寄存器IR；?

(6)指令寄存器中的操作码被译码或测试；?

(7)CPU识别出是指令CLA，至此，取指令阶段即告结束

2?执行指令阶段?

(1)操作控制器送一控制信号给算术逻辑运算单元ALU；?

(2)ALU响应该控制信号，将累加寄存器AC的内容全部清零，从而执行了CLA指令。

5.2.3  取数指令的指令周期

5.2.4  存数指令的指令周期

5.2.5  空操作指令和转移指令的指令周期

5.2.6  五条指令的取指和执行过程

5.2.7  用方框图语言表示指令周期

5.3.1 时序信号的作用和体制

[思考]用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那 么CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢?

从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期中，即发生在“取指令”阶段，而取数据事件发生在指令周期的后面几个CPU周期中，即发生在“执行指令”阶段。

从空间上来说，如果取出的代码是指令，那么一定送往指令寄存器，如果取 出的代码是数据，那么一定送往运算器。由此可见，时间控制对计算机来说是太重要了

硬布线控制器中，时序信号往往采用主状态周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制。

在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节拍电位-节拍脉冲二级体制。

5.3.3 控制方式

同步控制、异步控制、联合控制:

5.4 微程序控制器:

微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作

微命令 控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。

控制部件与执行部件通过控制线和反馈信息进行联系:

微指令 在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合

微程序 实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。

微程序控制器原理框图 :

它主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。

5.4.5 CPU周期与微指令周期的关系 :

在串行方式的微程序控制器中:  
微指令周期 = 读出微指令的时间 + 执行该条微指令的时间

【例2】设某计算机运算器框图如图(a)所示，其中ALU为16位的加法器(高电平工作)，SA,SB为16位暂存器。4个通用寄存器由D触发器组成，Q端输出，其读、写控制功能见下表:

解：

微命令编码 对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。通常有以下三种方法：

1.直接表示法

其特点是操作控制字段中的 每一位代表一个微命令。这种方法的优点是简单直观，其输出直接用于控制。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

采用字段译码的编码方法，可以用较小的二进制信息位表示较多的微命令信号。例如3位二进位译码后可表示7个微命令，4位二进制位译码后可表示15个微命令。与直接控制法相比，字译码控制法可使微指令字大大缩短，但由于增加译码电路，使微程序的执行速度稍稍减慢 。目前在微程序控制器设计中，字段直接译码法使用较普遍

3.混合表示法

这种方法是把直接表示法与字段编码法混合使用，以便能综合考虑指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求

5.5.2 微地址的形成方法

.计数器方式

这种方法同用程序器计数来产生机器指令地址的方法相类似。在顺序执行微指令时，后继微地址现行微地址加上一个增量来产生；在非顺序执行微指令时，必须通过转移方式，使现行微指令执行后，转去执行指定后继微地址的下一条微指令。在这种方法中，微地址寄存器通常改为计数器。为此，顺序执行的微指令序列就必须安排在控制存储器的连续单元中

计数器方式的基本特点是：微指令的顺序控制字段较短，微地址产生机构简单。但是多路并行转移功能较弱，速度较慢，灵活性较差。

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。在多路转移方式中，当微程序不产生分支时，后继微地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“后选”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。“状态条件”有n位标志，可实现微程序2的n次方路转移，涉及微地址寄存器的n位 。

多路转移方式的特点是：能以较短的顺序控制字段配合，实现多路并行转移，灵活性好，速度较快，但转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。?

5.5.3 微指令格式 ：

微指令的编译方法是决定微指令格式的2.垂直型微指令

主要因素。

1)寄存器-寄存器传送型微指令

(2)运算控制型微指令

3)访问主存微指令?

(4)条件转移微指令?

微指令的格式大体分成两类：水平型微指令和垂直型微指令。微指令的格式大体分成两类：水平型微指令和垂直型微指令。

微程序设计技术有静态微程序设计和动态微程序设计之分。

5.6 硬布线控制器

控制部件看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高 操作速度为设计目标。一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上对它重新布线，否则要 想增加新的控制功能是不可能的。这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形逻辑网络，故称之为硬布线控制器。

在用硬联线实现的操作控制器中，通常，时序产生器除了产生节拍脉冲信号外，还应当产生节拍电位信号。