第5章中央处理器 内容提要 CPU是计算机硬件组成的核心部分。本章将详细介绍CPU的功能及基本组成,指令周 期,时序发生器,组合逻辑控制器,微程序控制器及其设计技术,典型CPU的结构,并行 处理技术等。 51CPU的基本功能和组成 中央处理器CPU( Central Processing Unit):计算机中用于解释和执行指令的部件,通 常包括控制器(CU)和运算器(ALU) 5.1.1CPU的基本功能 1、指令控制—一程序的顺序控制 主要由程序计数器PC及控制类指令的执行等来实现指令的控制 2、操作控制 由执行指令的一系列微操作信号进行控制。 3、时间控制——一对各种操作实施时间上的控制 主要由时序信号发生器等实现时间的控制 4、数据加工——对数据实现算术、逻辑运算等的处理。 5.1.2CPU的基本组成 线 AR ADD 微操作信号 发生器 RS MOV. 内存储器十 控制器 运算器 1.运算器 图5.1典型计算机主机框图 计算机中用于实现数据加工处理、寄存等功能的部件。 (1)多功能算术逻辑运算部件ALU 实现多种算术/逻辑运算 (2)通用寄存器组GRS
第 5 章 中央处理器 内容提要： CPU 是计算机硬件组成的核心部分。本章将详细介绍 CPU 的功能及基本组成，指令周 期，时序发生器，组合逻辑控制器，微程序控制器及其设计技术，典型 CPU 的结构，并行 处理技术等。 5.1 CPU 的基本功能和组成 中央处理器 CPU（Central Processing Unit）：计算机中用于解释和执行指令的部件，通 常包括控制器（CU）和运算器（ALU）。 5.1.1 CPU 的基本功能 1、指令控制——程序的顺序控制 主要由程序计数器 PC 及控制类指令的执行等来实现指令的控制。 2、操作控制 由执行指令的一系列微操作信号进行控制。 3、时间控制——对各种操作实施时间上的控制 主要由时序信号发生器等实现时间的控制。 4、数据加工——对数据实现算术、逻辑运算等的处理。 5.1.2 CPU 的基本组成 1． 运算器 计算机中用于实现数据加工处理、寄存等功能的部件。 PC AR MB DR 时序 中断机构 微操作信号 发生器 指令译码 OP A P S W … ADD JMP … R0 …… Rn-2 Rn-1 移位器 LA LB GRS B ALU A IR 总线 图 5.1 典型计算机主机框图 +1 MOV 内存储器 控制器 运算器 （1） 多功能算术逻辑运算部件 ALU 实现多种算术/逻辑运算。 （2） 通用寄存器组 GRS
多通用寄存器是现代计算机系统结构的特点之 其优点主要是提高机器运算速度 (3)程序状态字寄存器PSW 记录ALU执行操作后的状态标志(如S、O、C、Z等), 作为条件转移指令的条件使用 (4)锁存器LA和LB 锁存来自GRS、PC或IR的偏移量等部件的数据 以便在ALU进行加工。 (5)移位器 SHIFTER 用于实现移位指令的功能。 (6)总线BUS 2.控制器 指挥计算机各部件按指令要求进行操作的部件 (1)控制器的主要功能 ①控制取出指令、解释指令和执行指令(提供下一条指令地址) ②中断控制——对异常情况和外部请求的处理 ③信息传送线的控制 存储器与控制器之间的信息流动——指令流: 存储器与运算器之间的信息流动——数据流。 (2)控制器的基本组成 ①指令部件 指令寄存器IR——寄存现行指令码 程序计数器PC—指出要执行的指令在内存的地址 指令译码器ID——解释指令、产生相应的控制信号 ②时序部件 a.脉冲源及启停线路 b.信号的产生及控制部件——周期节拍发生部件 ③微操作信号发生器 产生微操作控制信号,控制各个部件的操作。 ④访问内存的有关部件 地址寄存器AR和缓冲寄存器DR a.AR——寄存访问内存的地址码 b.DR—缓冲、暂存CPU、MEM和外设之间交换的数据。 C.状态条件寄存器PSR 由反映CPU工作状态、条件标志的若干位触发器组成,如 进位 负等 ⑤中断机构 ⑥控制台 (3)操作控制器的类型(控制器的组成方式)
多通用寄存器是现代计算机系统结构的特点之一。 其优点主要是提高机器运算速度。 （3） 程序状态字寄存器 PSW 记录 ALU 执行操作后的状态标志（如 S、O、C、Z 等）， 作为条件转移指令的条件使用。 （4） 锁存器 LA 和 LB 锁存来自 GRS、PC 或 IR 的偏移量等部件的数据， 以便在 ALU 进行加工。 （5） 移位器 SHIFTER 用于实现移位指令的功能。 （6） 总线 BUS 2． 控制器 指挥计算机各部件按指令要求进行操作的部件 （1） 控制器的主要功能 ①控制取出指令、解释指令和执行指令（提供下一条指令地址） ②中断控制——对异常情况和外部请求的处理 ③信息传送线的控制 存储器与控制器之间的信息流动——指令流； 存储器与运算器之间的信息流动——数据流。 （2） 控制器的基本组成 ① 指令部件 指令寄存器 IR——寄存现行指令码 程序计数器 PC——指出要执行的指令在内存的地址 指令译码器 ID——解释指令、产生相应的控制信号 ② 时序部件 a. 脉冲源及启停线路 b. 信号的产生及控制部件——周期节拍发生部件 ③ 微操作信号发生器 产生微操作控制信号，控制各个部件的操作。 ④ 访问内存的有关部件 地址寄存器 AR 和缓冲寄存器 DR a． AR——寄存访问内存的地址码。 b． DR——缓冲、暂存 CPU、MEM 和外设之间交换的数据。 C． 状态条件寄存器 PSR 由反映 CPU 工作状态、条件标志的若干位触发器组成，如： C——进位 ,V——溢出, Z——零, N——负等。 ⑤ 中断机构 ⑥ 控制台 (3) 操作控制器的类型（控制器的组成方式）
①组合逻辑(硬布线)控制器 ②微程序(存储逻辑型)控制器 3.指令流和数据流 (1)指令流 在取指令整个操作过程中涉及到的信息流 JMP 微操作信号 发生器 MOV. 中断机构 令译码 内存储器十 运算器 图5.1典型计算机主机框图 ①取出指令:PC→BUS→AR,READ:DR→BUS→IR ②完成(PC)+1:PC→ALU+1→BUS→PC。 (2)数据流 在数据通路中流动的信息 主要有三类: ①从内存读出数据,运算结果送回内存。 A→AR,READ,DR→BUS→ALU(加工处理)→内存 ②从寄存器读出数据,运算结果送回GRS或内存 R→ALU→BUS→GRS或内存 ③从内存读出的内容作为访内地址。 A→AR,READ,DR→BUS→AR。 4.微操作 由控制器发出的控制各部件的最基本操作,是最简单的不可再分的操作
① 组合逻辑（硬布线）控制器 ② 微程序（存储逻辑型）控制器 3． 指令流和数据流 （1） 指令流 在取指令整个操作过程中涉及到的信息流动。 PC AR MB DR 时序 中断机构 微操作信号 发生器 指令译码 OP A P S W … ADD JMP … R0 …… Rn-2 Rn-1 移位器 LA LB GRS B ALU A IR 总线 图 5.1 典型计算机主机框图 +1 MOV 内存储器 控制器 运算器 ①取出指令：PC→BUS→AR，READ；DR→BUS→IR。 ②完成（PC）+1：PC→ALU+1→BUS→PC。 （2） 数据流 在数据通路中流动的信息。 主要有三类： ①从内存读出数据，运算结果送回内存。 A→AR，READ，DR→BUS→ALU（加工处理）→内存 ②从寄存器读出数据，运算结果送回 GRS 或内存。 Ri→ALU→BUS→GRS或内存。 ③从内存读出的内容作为访内地址。 A→AR，READ，DR→BUS→AR。 4． 微操作 由控制器发出的控制各部件的最基本操作，是最简单的不可再分的操作
LEFT→BUS BUS→AR SHIFT PC→BUS PC→LA SBR G SBR→ LA SBR→LB DR→BUS BUS→DR GRS 16 Us→GRS 地址译码器 BUS→IR P|MR、MR ALU→BUS 微操作信号发生器 (指令执行逻辑) RESET 内存储器 中央处理器 图5.2标有控制门和微操作的典型主机结构 例如 ①高电平有效 ②有效期间,(PC)流向总线。 可见:①同时出现的微操作沟通了信息流 PC→BUS、BUS→AR;使(PC)经总线流向AR。 ②总线传送信息具有分时性 当PC→BUS有效时(高电平), DR→BUS和ALU→BUS应为无效(低电平) ③依时间先后出现的微操作信号,使计算机中的信息流不停地流动,从 而完成信息的加工处理
：PC→BUS ①高电平有效 PC）流向总线。 流。 总线流向 AR。 ）， （低电平） 息流不停地流动，从 ALU PSW C0 G 图 5.2 标有控制门和微操作的典型主机结构 A B SHIFT 16 16 BUS→PC 16 BUS LEFT→BUS RIGHT→BUS PC G PC→LA G 16 PC→BUS 16 16 16 16 16 SBR BUS→SBR 16 R→LA SBR→LB 16 16 G R→SBR … 16 R→LB G SBR→LA 16 16 16 BUS→GRS 微操作信号发生器 （指令执行逻辑） OP MS RS MD RD … LA LB G GRS 16 G 16 ALU→BUS 地址译码器 1→C0 READ WAIT RESET Add Sub And Com Halt 时序 BUS→IR BUS→LB G AR MB DR G BUS→AR 16 16 16 G DR→BUS BUS→DR 16 内存储器 中央处理器 控制器运算器 例如 ②有效期间，（ 可见：①同时出现的微操作沟通了信息 PC→BUS、BUS→AR；使（PC）经 ②总线传送信息具有分时性。 当 PC→BUS 有效时（高电平 DR→BUS 和 ALU→BUS 应为无效 ③依时间先后出现的微操作信号，使计算机中的信 而完成信息的加工处理
5.2指令周期和时序发生器 5.2.1指令周期 1.基本概念 (1)指令周期 取出并执行一条指令所需的时间,称为指令周期。 通常指令周期的长短与指令的复杂程度有关 (2)CPU周期(机器周期) 将指令周期划分为若干个相对独立的操作阶段,称为CPU周期(主状态 周期)。 例如:取指令周期(F),取(源、目的)操作数周期(SOF、DOF), 执行周期(EXE)等 (3)节拍电位 CPU周期包括若干个完成微操作的节拍电位 (4)节拍脉冲 与节拍电位相配合完成数据加工与传送。 例如某实际机器的三级时序 FETCH 说明: FETCH一取指周期 W,W1一节拍 mac一外设工作脉冲 工作脉冲 图5.3典型机器三级的时序体制 指令周期举例 (1)CLA指令的指令周期 CLA指令功能:将累加器AC清0。 取指令 取下条∵ 译码 1←-取指周期→ 图5.5CLA指令的指令周期
5.2 指令周期和时序发生器 周期 并执行一条指令所需的时间，称为指令周期。 期的长短与指令的复杂程度有关。 称为 CPU 周期（主状态 （EXE）等 完成微操作的节拍电位。 2． 指令周期举例 （1）CLA 指令的指令周期 CLA 指令功能：将累加器 AC 清 0。 5.2.1 指令周期 1． 基本概念 （1） 指令 取出 通常指令周 （2） CPU 周期（机器周期） 将指令周期划分为若干个相对独立的操作阶段， 周期）。 例如：取指令周期（IF），取（源、目的）操作数周期（SOF、DOF）， 执行周期 （3） 节拍电位 CPU 周期包括若干个 （4） 节拍脉冲 与节拍电位相配合完成数据加工与传送。 例如 某实际机器的三级时序 图 5.3 典型机器三级的时序体制 W0 说明：FETCH－取指周期 W0，W1－节拍 m* －预置脉冲 mRC－外设工作脉冲 m－工作脉冲 FETCH mRC W1 m* m 取指令 PC＋1 指令 译码 执行 指令 开始 取指周期 执行周期 取下条 指令 PC＋1 图 5.5 CLA 指令的指令周期
①取指周期(公共操作) 以(PC)为指令地址从内存读出指令; A、(PC)+1→PC,为顺序取下一指令作好地址准备 B、对操作码进行译码或测试,以确定进行的操作。 I CPU 算术逻辑单元 取指令控制 ALU 操作控制器 累加器 时序产生器 程序计数器v pC[00020←+1 指令寄存器 LCLA 寄存器 1AR□000020 寄存器 DR CLA h指令或数据内容 DBUS 231 30000006 40存和数 图5.6取出CLA指令 ①√c清AC) ALU 操作控制器←时钟 时序产生器←状态 000000 指令 程序计数器 译码器 PC[00o021 指令寄存器 缓冲 寄存器 存储器 地圳指令或数据内容 ABUS DBU 30000006 40存和数 图5.7CLA指令执行阶段
①取指周期（公共操作） 以（PC）为指令地址从内存读出指令； A、 （PC）+1→PC，为顺序取下一指令作好地址准备； B、 对操作码进行译码或测试，以确定进行的操作。 ALU 算术逻辑单元 0 0 0 0 2 0 CLA CLA 指令 译码器 操作控制器 时序产生器 取指令控制 0 0 0 0 2 0 时钟 累加器 AC 指令寄存器 IR 状态 反馈 程序计数器 PC 地址 寄存器 AR 缓冲 寄存器 DR 存储器 地址 指令或数据内容 20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 … JMP 21 … 30 000 006 31 40 存和数 地址总线 ABUS 数据总线 DBUS CPU ① ② ＋1 ③ ④ ⑤ 图 5.6 取出 CLA 指令 （清c AC） ALU 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 CLA CLA 指令 译码器 操作控制器 时序产生器 执行指令控制 0 0 0 0 2 0 时钟 累加器 AC 指令寄存器 IR 状态 反馈 程序计数器 PC 地址 寄存器 缓冲 AR 寄存器 DR 存储器 地址 指令或数据内容 20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 … JMP 21 … 30 000 006 31 40 存和数 地址总线 ABUS 数据总线 DBUS ① CPU 图 5.7 CLA 指令执行阶段 ②
②执行指令周期(假定采用正逻辑数的74181ALU) 本指令完成清“0”累加器AC的操作: 方式控制S0SS2S=LLHH,M=H。则ALU输出为 (2)ADD指令的指令周期 ADd 3 AC)+(30)→AC ①取指周期(与上相同) ②取操作数周期 有效地址E=30,在指令寄存器IR中 IR中的有效地址30→AR A.启动内存读取操作数 B.操作数S=(E)=00006→DR 取指令 →(Pc+1 执后)中:取下条 译码 操作数 加操作 取指周期 取操作数周期一执行周期→ 图5.8ADD指令的指令周期 ③执行周期 A.(DR)→ALU,(AC)→ALU B.(ALU)→AC 执行指令控制 作控制器←时钟 时序产生器<状态 累加器000000 程序计数器 PC[00022 指令寄存器 L CLA 30 R 缓冲 AR[000030 寄存器 L指令或数据内容 DBUS 存和数 图5.9取操作数周期
②执 为 0。 +（30）→AC ，在指令寄存器 IR 中。 06→DR ALU，（AC）→ALU 行指令周期（假定采用正逻辑数的 74181ALU） 本指令完成清“0”累加器 AC 的操作： 方式控制S0S1S2S3=LLHH，M=H。则ALU输出 （2） ADD 指令的指令周期 ADD 30 ；（AC） ①取指周期（与上相同） ②取操作数周期 有效地址 E=30 IR 中的有效地址 30→AR A． 启动内存读取操作数 B． 操作数 S=（E）=0000 取指令 PC＋1 指令 译码 取出 操作数 取下一条 指令 开始 取指周期 取操作数周期 图 5.8 ADD 指令的指令周期 执行 加操作 执行周期 ③执行周期 A． （DR）→ B． （ALU）→AC ALU 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 6 CLA 30 指令 译码器 操作控制器 时序产生器 执行指令控制 0 0 0 0 3 0 时钟 累加器 指令寄存器 IR 状态 反馈 程序计数器 PC 地址 寄存器 AR 缓冲 寄存器 DR 存储器 地址 指令或数据内容 20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 … JMP 21 … 30 000 006 31 40 存和数 地址总线 ABUS 数据总线 DBUS ① CPU 图 5.9 取操作数周期 ② ③
执行指令控制 ALU 累加器 飞 操作控制 ←状态 AC000006 程序计数器 PC[00022 指令寄存器 LADD 30 IR 缓冲 AR□000030 寄存器 DR000006 存储器 地圳[指令或数据内容 数据总线 ABUS DBUS 24JMP2 图5.10取操作数并执行加法操作 5.2.2时序发生器 1.时序信号的作用和体制 (1)作用:为计算机各部分的协调工作提供时序标志。 (2)体制 电位-脉冲制 取指周期 2.时序信号发生器 (1)三级时序系统的组成启动 执行周期 节拍周 期信号 发生器 节拍脉 品 信号 图5.11三级时序系统组成框图
ALU 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 6 ADD 30 指令 译码器 操作控制器 时序产生器 执行指令控制 0 0 0 0 3 0 时钟 累加器 AC 指令寄存器 IR 状态 反馈 程序计数器 PC 地址 寄存器 AR 缓冲 寄存器 DR 存储器 地址 指令或数据内容 20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 … JMP 21 … 30 000 006 31 40 存和数 地址总线 ABUS 数据总线 DBUS CPU 图 5.10 取操作数并执行加法操作 ①A ①B ② 5.2.2 时序 作用和体制 分的协调工作提供时序标志。 （2）体制 脉冲制 2． 时序信号发生器 的组成 发生器 1． 时序信号的 （1）作用：为计算机各部 Q Q CP D 电位- CPU 周 期信号 发生器 图 5.11 三级时序系统组成框图 取指周期 晶 振 S 启动 取数周期 执行周期 节拍周 期信号 发生器 T1 T2 Tn 节拍脉 … 冲信号 发生器 P1 P2 Pn R Q 停止 … （1）三级时序系统
①CPU周期信号发生器:产生CPU周期信号 *通常,机器运行期间,任一个时刻仅处于一个CPU周期状态。 ②节拍周期信号发生器:产生节拍电位T1-T4 *在定长CPU周期中,每个CPU周期含有相同的节拍电位数。 CPU周期取指) CPU周期取指) U周期取指) 节拍脉冲P1 节拍脉冲P3 节拍电位T 节拍脉冲P 频 clock 「L「「「LL「L 图5.12组合逻辑控制器的时序关系 特点:时间利用率高,控制较复杂。 ③节拍脉冲信号发生器:产生节拍脉冲信号P1一P4 图中,每个节拍电位包含一个脉冲 *节拍电位和节拍脉冲时间关系固定 (1)时钟脉冲源 为时序产生器提供频率稳定且电平匹配的方波始终脉冲信号。 组成:由石英晶体振荡器和与非门等组成 (2)节拍电位发生器 有循环移位寄存器和译码器组成。 图5.13环形脉冲发生器与译码逻辑
①CPU 周期信号发生器：产生 CPU 周期信号。 CPU 周期状态。 *在定长 CPU 周期中，每个 CPU 周期含有相同的节拍电位数。 特点： —P 提供频率稳定且电平匹配的方波始终脉冲信号。 和译码器组成。 CPU 周 *通常，机器运行期间，任一个时刻仅处于一个 ②节拍周期信号发生器：产生节拍电位 T1—T 4 。 时间利用率高，控制较复杂。 ③节拍脉冲信号发生器：产生节拍脉冲信号 P1 4 图中，每个节拍电位包含一个脉冲。 *节拍电位和节拍脉冲时间关系固定。 （1）时钟脉冲源 为时序产生器 组成：由石英晶体振荡器和与非门等组成。 （2）节拍电位发生器 有循环移位寄存器 期(取指) 图 5.12 组合逻辑控制器的时序关系 CPU 周期(取指) CPU 周期(取指) 节拍电位T1 节拍脉冲P1 节拍电位T2 节拍脉冲P2 节拍电位T3 节拍脉冲P3 节拍电位T4 节拍脉冲P4 主频 clock ο T4 Q Q D C1 Q Q D C2 Q Q D C3 ο T1 ο T2 ο T3 Q Q D C4 2 3 +5V CLR 脉冲时钟器 S Φ Φ R 图 5.13 环形脉冲发生器与译码逻辑
时钟源频率50MHz,周期T=20ns,脉冲宽度为10ns 「「「 一图5.14-4cPU周期 图5.14CPU周期与节拍电位的关系图 ①循环移位寄存器工作过程 A、总清信号CLR使C4置1,打开与非门3 B、l上升边经与非门3反相将C1-C3清“0” C、Φl上升边使C4打入0,关闭与非门3。 D、Φ2的下降边即Φ2的上升边使C1-C3打入100。 E、同理Φ3-4使C1-C3打入110和11l F、当C3=1时,Φ4使C4=1,5又使C1-C3清0。 G、在Φ6时又重复Φ2开始的过程。 ②产生四个等宽度的节拍电位T一T 译码逻辑: =O 机器运行时,由T0一74产生T一T4。 ③节拍脉冲P一P4的产生。 P2=72 B3=73·Φ,P4=74
时钟源频率 50MHz，周期 T=20ns，脉冲宽度为 10ns。 ①循环移位寄存器工作过程： A、 总清信号 1 23 4 5 6 7 8 9 10 Φ Φ C4 C1 C2 C3 T4 T3 T2 T1 图 5.14 CPU 周期 图 5.14 CPU 周期与节拍电位的关系图 CLR 使 C 置 1，打开与非门 3。 B、 Φ1 上升边经与非门 3 反相将 C —C 清“0”。 C、 4 1 3 Φ1上升边使 C 打入 0，关闭与非门 3。 D、 4 Φ2的下降边即 Φ2 的上升边使 C —C 打入 100。 E、 同理 Φ3—Φ4 使 C —C 打入 110 和 111。 F、 当 C =1 时， 1 3 1 3 3 Φ4使 C =1，Φ5 又使 C —C 清 0。 Φ ②产生四个等宽度的节拍电位 — = C 4 1 3 G、 在 Φ6 时又重复 2 开始的过程。 0 T 0 1 T4 译码逻辑： 0 T1 1 .C2 ， = C 0 T2 2 .C3 = C 0 T3 3 , 0 T4 =C1 机器运行时，由 — 产生 — 。 ③节拍脉冲 — 的产生。 0 T1 0 T4 T1 T4 P1 P4 ， P3 =T3 •Φ , P4 =T4 P1 =T1 •Φ ， P2 =T2 •Φ •Φ