文档介绍：计算机组成原理与汇编语言(2006级)
北航计算机学院刘旭东©
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第五部分 CPU与控制单元设计
一、CPU的功能与组成
二、数据通路设计
三、指令执行流程分析
四、组合逻辑控制器设计
五、微程序原理
六、微程序控制器设计
一、CPU的功能与组成
二、数据通路设计
三、指令执行流程分析
四、组合逻辑控制器设计
五、微程序原理
六、微程序控制器设计
指令的执行过程回顾(第一讲)
Instruction
Fetch
Instruction
Decode
Operand
Fetch
Execute
Result
Store
Next
Instruction
根据PC内容从存储器取指令送IR
指令译码器译码(解释指令),形成微操作控制信号
在控制信号的作用下取操作数送运算器
运算器执行指令功能
保存指令结果
形成下条指令的地址并送PC
根据PC内容从存储器取指令送IR;
指令译码器译码(解释指令),形成微操作控制信号;
在控制信号的作用下取操作数送运算器;
运算器运行;
保存结果;
形成下一条指令地址送PC。
CPU的功能与组成
CPU的功能:控制指令执行
取指令:从存储器中读出指令
指令地址部件:指明当前要读取的指令在存储器中的地址
指令寄存部件:保存从存储器中取来的指令
分析指令:分析指令的操作性质以及操作对象的位置(地址)
译码部件:对指令进行译码
执行指令:实现指令应该具有的操作功能
控制信号逻辑部件:根据指令的操作性质和操作对象的地址(译码结果),在时序信号配合下,产生一系列的微操作控制信号,从而控制计算机的运算器、存储器或输入输出接口等部件工作,实现指令所表示的功能。
时序部件:提供计算机基准时序信号
CPU的功能与组成
CPU的组成
运算单元:算术逻辑运算单元(ALU)
寄存器:通用寄存器组(GPRs),标志寄存器(FR,又称程序状态字PSW),临时寄存器(TR)
控制单元(CU):
指令地址部件:程序计数器(PC)
指令寄存部件:指令寄存器(IR)
译码部件:指令译码器(ID)
控制部件:微操作控制信号产生部件
时序部件:产生时序信号
内部总线:CPU内部数据通路(Internal Bus)
CPU的功能与组成
CPU内部结构
执行单元(EU)
控制单元(CU)
寄存器单元
中断系统
内部总线
CPU的功能与组成
CPU内部的寄存器
通用寄存器(General Register):用户可见(汇编语言可使用)
数据寄存器、基址寄存器、变址寄存器、堆栈指针、标志寄存器等
控制与状态寄存器:用户不可见,为系统控制专用。
MAR(Memory Address Register):存储器地址寄存器
MBR/MDR(Memory Buffer Register,Memory Data Register):存储器数据缓冲器
PC(Program Counter):程序计数器
IR(Instruction Register):指令寄存器
临时寄存器(Temporary Register):用户不可见
CPU的功能与组成
执行单元(EU-Execution Unit)
执行单元的核心:算术逻辑运算单元(ALU),完成算术运算、逻辑运算、移位运算等操作;
寄存器:提供数据缓冲;
控制单元(CU-Control Unit)
指令寄存器IR
指令译码器ID(Instruction Decoder)
时序部件:提供各种时序信号
控制信号生成部件:产生计算机其他部件所需要的所有微操作控制信号,分组合逻辑和微程序两种实现方式。
中断系统
检查中断信号,中断CPU的正常程序执行,处理异常事务。