• 计算机组成原理第五章(中央处理器CPU)


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    • 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)
    • 机器周期通常又称CPU周期
      • 通常把一条指令周期分成若干个机器周期,每个机器周期完成一个基本操作
      • 以主存的工作周期(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
      • 不同的指令,可能包含不同数目的机器周期
      • 一个机器周期中,包含若干个T周期(节拍脉冲或T脉冲)
      • 不同的指令,CPU周期规定不同
    • 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。节拍常用具有一定宽度的电位信号表示,称之为节拍电位
      • 节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的时间,如:ALU完成一次正确的运算,寄存器间的一次数据传送等
    • 指令周期(由若干个CPU周期构成,CPU周期由若干个T周期构成)
    • MOV指令的指令周期

     

    • LAD指令的指令周期:

    • ADD指令的指令周期:

    • STO指令的指令周期:

    • JMP指令的指令周期:

      • 取值周期
      • 执行周期

    5.2总结:

    1. 一条指令包括一个取指令周期和一个执行指令周期

    2. 在每个CPU周期中数据通路是明确的

    3. 数据通路的建立及操作收到操作控制器的控制,当然决定于是什么指令


    时序产生器和控制方式

    1. 时序信号的作用和体制

    • 时序信号:CPU规定脉冲,有节奏的及其工作,提供的时间标志。(需要采用多级时序体制)
    • 时序信号是协调各工件工作的同步信号,时间按标志是用时序信号来体现的。
    • 时序信号的基本体制:电位——脉冲体制

    2. 时序信号产生器

    • 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
    • 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为操作
      • 时序信号产生电路简单
      • 一个节拍电位包含若干个节拍脉冲,及时钟周期。节拍电位表示一个CPU周期的时间,而节拍脉冲把一个CPU周期划分为若干个较小的事假时间间隔。这些时间间隔可以相等,也可以不等。
    • 时序信号产生器功能:产生时序信号
    • 时序信号产生器构成:1. 时钟源 2. 环形脉冲发生器 3. 节拍脉冲和读写时序控制逻辑 4. 启停控制逻辑
    •  
    • 时钟脉冲φ的宽度等于节拍脉冲T的宽度
    • 4个节拍脉冲(T周期)构成一个机器周期(CPU周期)
    • 启停控制逻辑:启动、停止是随机的。
    • 当运行触发器为“1”时,打开时序电路。(计算机启动时,一定要从第一个节拍脉冲前沿开始工作)
    • 当运行触发器为“0”时,关闭时序产生器。(停机时一定要第四个节拍脉冲结束后关闭时序产生器)

    3. 时序控制方式

    • 时序控制方式
      • 同步控制方式
        • 完全统一的机器周期执行不同的指令
        • 采用不定长机器周期
        • 中央控制及与局部控制的结合
      • 异步控制方式
        • 每条指令需要多少时间就占用多少时间
      • 联合控制方式
        • 大部分指令在固定的周期内完成,少数难以确定的指令采用异步控制方式
        • 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(微程序控制器的采用)

    微程序控制器的

    1. 微程序控制器原理

    • 微程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。
    • 微命令和微操作
      • 一条机器指令是由一个微程序来实现的
      • 控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫做微命令,它是构成控制部件的最小单位
      • 微操作:是微命令的操作过程
      • 由于数据通路的结构关系,微操作可分为相容的和互斥的两种
        • 互斥的微操作:是指不能同时或不能在同一个节拍中并行执行的微操作
        • 相容的微操作:是指能够同时或者在同一个节拍内并行执行的微操作。必须各占一位。
      • 微指令:把在同一个CPU周期内并行执行的微操作控制信息,存储在控制存储器里,称为一条微指令
        • 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的电位信号,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
      • 微程序
        • 一切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 
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