《计算机系统》第10章 CPU的结构与功能

第10章CPU的结构与功能

第10章 CPU的结构与功能

本章要点 处理器组织 寄存器组织 指令周期 时序产生器 指令流水 RISC的硬件结构 Pentium处理器

本章要点 • 处理器组织 • 寄存器组织 • 指令周期 • 时序产生器 • 指令流水 • RISC的硬件结构 • Pentium处理器

10.1处理器组织 CPU的基本功能 指令控制 操作控制 时间控制 数据加工 传统的CPU由运算器、控制单元和寄存 器三大部分组成

10.1 处理器组织 • CPU的基本功能 – 指令控制 – 操作控制 – 时间控制 – 数据加工 • 传统的CPU由运算器、控制单元和寄存 器三大部分组成

10.1处理器组织 个简化的CPU视图 寄存器 ALU 部总线 控制器 控制路径

10.1 处理器组织 • 一个简化的CPU视图 ： ALU 寄存器 控制器 CPU 内 部 总 线 控制路径

10.2寄存器组织 用户可见寄存器( User-Visible Register) 通用寄存器( General Purpose Register 数据寄存器 地址寄存器 条件代码( condition codes

10.2 寄存器组织 • 用户可见寄存器（User-Visible Register） – 通用寄存器（General Purpose Register） – 数据寄存器 – 地址寄存器 – 条件代码（condition codes）

10.2寄存器组织 控制和状态寄存器( Control And status Register 程序计数器(PC 指令寄存器(IR) 存储地址寄存器(MAR) 存储缓冲寄存器(MBR) 程序状态字(PSW)

10.2 寄存器组织 • 控制和状态寄存器（Control And Status Register） – 程序计数器（PC） – 指令寄存器（IR） – 存储地址寄存器（MAR） – 存储缓冲寄存器（MBR） – 程序状态字（PSW）

10.4指令周期 CPU典型的指令周期 取指周期 执行周期 中断周期 开始 取下一条 检查中断 指令 执行指令 处理中断 停机

10.4 指令周期 • CPU典型的指令周期 开始 停机 取下一条 指令 执行指令 检查中断 处理中断 取指周期 执行周期 中断周期

105时序产生器 计算机的协调动作需要时间标志,而时间标 志则是用时序信号来体现的 ·组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号 最基本的体制是电位一脉冲制 硬布线控制器中,时序信号往往采用主状态 周期一节拍电位一节拍脉冲三级体制 在微程序控制器中,时序信号比较简单, 般采用节拍电位一节拍脉冲二级体制

10.5 时序产生器 • 计算机的协调动作需要时间标志，而时间标 志则是用时序信号来体现的 • 组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号 最基本的体制是电位－脉冲制 • 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

105时序产生器 微程序控制器中时序信号产生器结构图 控制信号 (发送到执行部件) 启停控制逻辑 控制信号 (来自控制器输出) 节拍脉冲和读写时序译码逻辑 环形脉冲发生器 时钟脉冲源

10.5 时序产生器 • 微程序控制器中时序信号产生器结构图 启停控制逻辑 节拍脉冲和读写时序译码逻辑 环形脉冲发生器 时钟脉冲源 …… 控制信号 （发送到执行部件） … 控制信号 （来自控制器输出）

10.6指令流水 流水线策略 指令流水类似于工厂中装配线的使用 流水线的主要问题 资源相关冲突 数据相关冲突 控制相关冲突

10.6 指令流水 • 流水线策略 – 指令流水类似于工厂中装配线的使用 • 流水线的主要问题 – 资源相关冲突 – 数据相关冲突 – 控制相关冲突