第六章 中央处理器

《第六章 中央处理器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章 中央处理器（99页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第第6章章 中央处理部件中央处理部件(CPU)6.1 计算机的硬件系统6.2 控制器的组成6.3 微程序控制计算机的基本工作原理6.4 微程序设计技术6.5 硬布线控制的计算机6.6 控制器的控制方式6.7 流水线工作原理*6.8 CPU举例(自学)*6.9 计算机的 加电及控制过程 (自学)学习目的1. 了解计算机的硬件系统、分析计算机的加电及控制过程。2. 掌握控制器的组成的主要部件，并能分析各主要部件的功能和相互关系。3. 掌握微程序控制计算机的基本工作原理，微程序设计技术。4. 分析硬布线控制的计算机的工作原理、时序分配方法。5. 了解控制器的控制方式、流水线工作原理。 本章重点（1）

2、程序是如何执行的；（2）计算机怎样实现各条指令的功能；（3）计算机如何保证逐条指令的连续执行过程。 本章难点（1）计算机运行过程中，各个硬件部件的作用；（2）CPU中各个部件的操作过程及其实现方法的原理。第第6章章 中央处理部件中央处理部件(CPU)计算机组成：计算机组成：运算器、控制器、存储器、输运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备入设备和输出设备五大部件五大部件。 微处理器微处理器:运算器运算器+控制器控制器集成在一个芯片上集成在一个芯片上,通常称之为中央处理部件通常称之为中央处理部件(CPU)。 控制器的作用控制器的作用:协调并控制计算机的各个部件协调并控制计算机的各个部件执行程序

3、的指令序列。执行程序的指令序列。机器加电时机器加电时： （1）可以利用可以利用reset信号将某值信号将某值(例如全例如全 “0”)置于程序计数器置于程序计数器PC中，此即为开机后执行的第一条指令的中，此即为开机后执行的第一条指令的地址，也就是固定程序入口地址；地址，也就是固定程序入口地址； （2）也可以直接在指令寄存器中置入一条无条件转移指令）也可以直接在指令寄存器中置入一条无条件转移指令(转移到固定程序入口转移到固定程序入口)，然后开始执行程序。，然后开始执行程序。固定程序固定程序:先对计算机各部件进行测试，然后进入操作系统先对计算机各部件进行测试，然后进入操作系统环境，等候操作员从键盘送

4、入命令，或用鼠标器对显示屏上环境，等候操作员从键盘送入命令，或用鼠标器对显示屏上的图标进行选择的图标进行选择。(一般放在ROM中)计算机的工作过程计算机的工作过程： 加电加电产生产生reset信号信号执行程序执行程序停机停机停电。停电。程序执行过程：程序执行过程：计算机从计算机从程序入口地址开始程序入口地址开始执行执行该程序的指令序列，是不断地该程序的指令序列，是不断地取指令取指令、分析指令分析指令和和执行指令执行指令这样一个周而复始的过程。这样一个周而复始的过程。实现原理：实现原理：当前正在执行的指令地址是放在控制当前正在执行的指令地址是放在控制器的程序计数器器的程序计数器(PC)中的。中的

5、。6. 1 计算机的硬件系统计算机的硬件系统1Intel 80386微机系统微机系统 图图61是由是由Intel 80386微处理器等器件组成的微处理器等器件组成的微机系统，微机系统，Intel 80386是是32位位微处理器。微处理器。(P163)Intel 80386 微机系统框图是系统中主要的处理、控制部件机器加电时产生reset信号，计算机各个部件处于初始状态。执行的第1条指令的地址为0FFFFFFF0H，为一条转移指令，转到引导程序入口。Clk是clk2的二分频时钟信号80386通过总线与存储器和I/O设备交换信息。对总线的使用需要总线控制逻辑来管理。快速设备通过DMA方式与主存交换

6、信息。慢速设备通过中断方式与主存交换信息。当CPU与主存交换信息时，由于速度不匹配，CPU需要等待，ready信号是由存储器发出的，表明CPU需要的读写命令已完成。80287/387协处理器与80386并行工作，扩充了80386的指令系统，主要完成浮点运算和高精度整数运算，80386自动将取得的协处理器指令传给80387。2 Intel 80386结构及外部连线结构及外部连线 80386包括：包括： 指令部件：完成取指及指令译码功能并产生控制信号； 执行部件：包括ALU、乘法部件、寄存器等； 存储管理部件：用来确定存储器地址。 80386微处理器芯片通过引出端与计算机的其它部件连接。各引出端的

7、功能各引出端的功能如下：ADS：地址状态信号，表示地址线、总线周期定义信号已有效，开始总线周期进行读写。NA：本次读/写操作虽未完成，允许送下一周期的地址和读写信息，使两次操作重叠。ready：当存储器或I/O设备完成操作后发出的信号。386接到此信号后，结束本周期。BS16：表示被访问的存储器或I/O设备的数据传送宽度为16位。PEREQ：协处理器请求386在存储器与协处理器之间传送一个数据。BUSY：协处理器忙，不能接收另一个指令。ERROR:协处理器出现了一个错误主设备：占用总线的设备。从设备：与主设备通信的设备。 I/O设备作主设备时，发出hold信号申请。当CPU同意总线请求，可以释

8、放总线，发hlda。其余引出端均呈高阻状态。INTR为中断请求信号,NMI不可屏蔽中断请求信号,RESET为总清或复位信号在80386与存储器或IO设备之间传送(读写)一个数据的时间称为总线周期。WR#区分是写周期(当WR#为1时)还是读周期(当WR#为0时)DC#表示是数据周期还是控制(取指)周期MIO#表示是访问存储器还是IO设备LOCK#为总线锁定信号，当它为低电位时，不允许芯片外部的信号打断当前总线周期的操作，即CPU不允许让出总线控制权。62 控制器的组成控制器的组成6. 2. 1 控制器的功能控制器的功能 计算机对信息进行处理计算机对信息进行处理(或计算或计算)是通过是通过程序的程

9、序的执行执行而实现的，程序是完成某个确定算法的而实现的，程序是完成某个确定算法的指令指令序列序列，要，要预先存放在存储器预先存放在存储器中。中。控制器的作用控制器的作用:控控制程序的执行制程序的执行，它必须具有以下基本功能：，它必须具有以下基本功能： 1取指令取指令 当程序已在存储器中时，首先根据程序入口取出第一条指令，为此当程序已在存储器中时，首先根据程序入口取出第一条指令，为此要发出要发出指令地址及控制信号指令地址及控制信号。然后不断取出第。然后不断取出第2，3，条指令。条指令。 2分析指令分析指令 或叫解释指令、指令译码等。是对当前取得的指令进行分析，指或叫解释指令、指令译码等。是对当前

10、取得的指令进行分析，指出它要求作什么操作，并出它要求作什么操作，并产生相应的操作控制命令产生相应的操作控制命令，如果参与操作的，如果参与操作的数据在存储器中，还需要数据在存储器中，还需要形成操作数地址形成操作数地址。 3执行指令执行指令 根据分析指令时产生的根据分析指令时产生的“操作命令操作命令”和和“操作数地址操作数地址”形成相应的形成相应的操作控制信号序列操作控制信号序列，通过，通过CPU及输入输出设备的执行，实现每条指令及输入输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中还包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。的功能，其中还包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。 计算机不断重复顺序

11、执行上述三种基本操作：取指、分计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作：取指、分析、执行；再取指、再分析、再执行析、执行；再取指、再分析、再执行，如此循环，直，如此循环，直到遇到停机指令或外来的干预为止。到遇到停机指令或外来的干预为止。4控制程序和数据的输入与结果输出控制程序和数据的输入与结果输出 根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命令来完成IO功能，这实际上也是通过执行程序来完成的。5对异常情况和某些请求的处理对异常情况和某些请求的处理 部件或设备发出：部件或设备发出： (1)“中断请求中断请求”信号信号 待CPU执行完当前指令后，响应该请求，中止当前执行的程序