臺80X86型微型計算機(jī)的指揮中心-中央處理器

第一節(jié) 中央處理器的組成和功能,微處理器的組成 處理器中指令的執(zhí)行過程 控制器的時序系統(tǒng) 現(xiàn)代控制器(服務(wù)器類)的幾種新型組成結(jié)構(gòu) IA-32系列控制器的幾種工作模式,第一節(jié) 微處理器（8086）的組成和功能,1、運(yùn)算器：算術(shù)邏輯單元（ALU）和數(shù)據(jù)暫存器 2、控制器： 程序計數(shù)器PC、指令寄存器 IR、操作控制器、時序發(fā)生器。 3、寄存器組：14個16位寄存器按照用途分為四類 通用寄存器4個：AX、BX、CX、DX；可分成8個8位寄存器使用 專用寄存器4個：SP（堆棧指針）、BP、SI、DI 段寄存器4個：CS、DS、SS、ES 指令指針I(yè)P和標(biāo)志寄存器FLAG：進(jìn)位（CF）、溢出（OF）、奇偶（PF）、符號標(biāo)志位（SF）、輔助進(jìn)位標(biāo)志位（AF）、零標(biāo)志位（ZF） 4、外部引腳 ：地址/數(shù)據(jù)總線16條，作為分時復(fù)用的內(nèi)存和端口的地址/數(shù)據(jù)總線；地址/狀態(tài)線4條，作為地址總線的高4位或者狀態(tài)信號?？刂瓶偩€9條，用于對總線進(jìn)行讀寫操作或控制。電源線和地線3條。其他控制線8條，其性能根據(jù)方式控制線MN/MX所處的狀態(tài)決定。,CPU組織原理結(jié)構(gòu)圖（計算機(jī)組成第二級原理圖之一）,第二節(jié) 控制器的功能與組成,一、功能 取指令： 分析指令：（見75頁8086/8088指令格式） 得到操作碼 確定數(shù)據(jù)的尋址方式 形成操作數(shù)的有效地址 執(zhí)行指令 根據(jù)操作瑪和操作數(shù)的有效操作地址，按照一定的算法流程，形成微操作序列，分別對運(yùn)算器、存儲器和輸入輸出設(shè)備進(jìn)行控制，實現(xiàn)指令確定的功能。 程序和數(shù)據(jù)的輸入及其結(jié)果輸出的功能 隨機(jī)事件的處理功能： 控制器具有接受、響應(yīng)外部設(shè)備中斷的功能。,第二節(jié) 控制器的功能與組成,二、控制器的基本結(jié)構(gòu)（101頁圖5-1） 1、指令部件 PC 指令寄存器IR 指令譯碼器ID： 操作碼-翻譯-控制電位 形成計算操作數(shù)有效地址的控制信息 2、時序部件：產(chǎn)生計算機(jī)所需要的定時信號 脈沖源：產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號作為整個機(jī)器的時鐘脈沖（主脈沖、主頻率），是機(jī)器周期、節(jié)拍和工作脈沖的基準(zhǔn)信號 周期狀態(tài)發(fā)生器（取指周期、訪存周期、執(zhí)行周期、結(jié)束周期） 節(jié)拍發(fā)生器：產(chǎn)生某個機(jī)器周期所需要的節(jié)拍數(shù)，在一個節(jié)拍中配合工作脈沖完成基本傳送、接收、處理工作。,第二節(jié) 控制器的功能與組成,3、微操作命令序列形成部件：提供執(zhí)行機(jī)器指令所需要的各種基本操作命令信號 4、總線及其控制邏輯 指令寄存器操作碼的操作信號 時序部件提供的時序信號 程序狀態(tài)字寄存器的狀態(tài)條件信號 中斷機(jī)構(gòu)輸出的信號。 5、中斷機(jī)構(gòu) 中斷及其中斷處理過程 6、程序狀態(tài)字寄存器PSWR,第二節(jié) 控制器的功能與組成,三、指令的執(zhí)行過程（103頁圖5-2） 1、PC設(shè)置初始值：用操作系統(tǒng)程序完成 2、取指令：（PC）MAR、READMM、（MM）-MDR、（MDR）-IR、（PC）+指令字長-PC 3、ID譯碼-產(chǎn)生系列微操作控制信號（MOP），控制ALU、MM、I/O和本身 4、取操作數(shù)（取決于操作數(shù)的尋址方式）： ADDRMAR，或者經(jīng)過編址運(yùn)算后得到EA后，（EA）-MAR， READMM、（MM）-MDR。 （EA）-PC（ADDR-PC） 5、對于運(yùn)算類指令，（MDR）-ALU，與暫存器中的另一個運(yùn)算數(shù)在ALU中進(jìn)行運(yùn)算處理，如果是間接尋址則還要經(jīng)過一個總線周期才能取到操作數(shù)。 6、對操作結(jié)果進(jìn)行處理：送往通用寄存器保存，或者是送往目的地址所指出的主存單元中保存（此時要發(fā)寫命令WRITE） 7、繼續(xù)取出下一條指令或停機(jī)執(zhí)行其它任務(wù) 注意：以上的每一個基本執(zhí)行步驟叫做一個微操作（微命令）,第三節(jié) 控制方式及時序系統(tǒng),1、同步控制方式：計算機(jī)的每一步操作都由統(tǒng)一的時序信號進(jìn)行同步控制。以最復(fù)雜的微操作所需要的時間作為統(tǒng)一的節(jié)拍長度。時序信號由機(jī)器周期、節(jié)拍和工作脈沖組成 節(jié)拍：每個機(jī)器周期由若干微操作（寄存器讀、寫、存儲器讀、寫、ADD等）組成的，每個微操作需要的時間周期叫做節(jié)拍。也稱為時鐘周期，由計算機(jī)的主頻決定（主頻的倒數(shù)）。 工作脈沖：一個節(jié)拍內(nèi)幾個工作脈沖（清除寄存器各位的脈沖、打開輸入通道的脈沖和數(shù)據(jù)作用觸發(fā)器的置1 S端）。微型計算機(jī)的使用單脈沖節(jié)拍。 總線周期（機(jī)器周期）：CPU從存儲器或者I/O端口存取一個數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時間。至少包括4個時鐘周期，每個時鐘周期是一個T狀態(tài)，在4個T狀態(tài)期間的可以插入一個或者多個等待狀態(tài)TW，用以同步CPU和內(nèi)存的反映速度。 指令周期： 2、異步控制方式：節(jié)拍周期長短不一、由前一個節(jié)拍的結(jié)束信號作為自己的起始信號。 3、聯(lián)合控制方式： 注意：現(xiàn)代微型計算機(jī)采用改進(jìn)的同步控制方式：中央控制和局部控制,第四節(jié) 控制器的種類,組合邏輯控制器： 計算機(jī)執(zhí)行指令的實質(zhì)就是在時序信號的控制下，根據(jù)不同指令的執(zhí)行過程有序地向控制器各個部件發(fā)出一組控制信號（微操作命令序列）的過程。 組合邏輯控制器設(shè)計 確定要實現(xiàn)的指令和指令的功能(105頁表5.1) 根據(jù)模型機(jī)(圖5.4)的硬件結(jié)構(gòu)畫指令流程圖(圖5.5) 編制操作時間表(圖5.6和表5-2和表5-3) 微操作組合 設(shè)計控制電路,流水線技術(shù),串行指令執(zhí)行過程 指令串行執(zhí)行的時空關(guān)系（流水方式：指令的預(yù)取）,超標(biāo)量技術(shù),在指令流水技術(shù)的基礎(chǔ)上，超標(biāo)量技術(shù)是在一個處理機(jī)中設(shè)置多個獨(dú)立的功能部件，稱為多操作部件處理機(jī)或超標(biāo)量處理機(jī)。在超標(biāo)量計算機(jī)的CPU中，設(shè)置兩條或兩條以上的流水線，具有多個執(zhí)行部件。在IA-32CPU中，就引入了此種技術(shù)。 Pentium CPU有雙路超標(biāo)量 P6有三路超標(biāo)量。,超線程技術(shù)（HT）,一個物理CPU作為兩個或兩個以上的邏輯CPU使用。提高CPU執(zhí)行速度的方法就是采用超標(biāo)量技術(shù)來實現(xiàn)的。 邏輯CPU：結(jié)構(gòu)狀態(tài)（寄存器全集：通用寄存器、標(biāo)志寄存器、段寄存器、指令指針寄存器、控制寄存器等） 雙核CPU：雙核處理器是指在一個處理器上集成兩個運(yùn)算核心，從而提高計算能力 。,