微体系结构—CPU组织课件.pptVIP

计算机组成原理与汇编语言程序设计（第2版）第3章微体系结构—CPU组织(2)1

第3节CPU模型机的组成及其数据通路3.3.1基本组成P98模型机数据通路结构图2

P983.3.1基本组成1．寄存器（1）可编程寄存器通用寄存器有4个：R0、R1、R2、R3；堆栈指针为SP；程序状态字寄存器为PSW；程序计数器为PC。（2）暂存器暂存器有3个：C、D、Z。（3）指令寄存器IR指令寄存器IR用来存放当前正在执行的一条指令。（4）与主存接口的寄存器MAR、MDRCPU对主存的控制信号有两个：读信号RD控制对主存的读操作；写信号WR控制对主存的写操作。3

2．运算部件P99ALU的输入A来自暂存器D，输入B来自ALU总线，运算结果输出到Z。控制ALU运算的控制信号有：ADD、SUB、AND、OR、XOR、COM、NEG、A+1、A-1、B+1、B-1，它们分别控制ALU完成加、减、与、或、异或、求负、求反等运算。3．总线与数据通路结构（1）ALU总线CPU内部采用单总线结构，即设置一组ALU总线（也称为CPU内总线），由16根双向数据传送线组成，ALU和所有寄存器通过这组公共总线连接起来。（2）系统总线模型机的CPU、存储器及I/O设备分别挂接在一组系统总线上。系统总线包括：16根地址总线、16根数据总线，以及控制总线。为简单起见，模型机采用同步控制方式。4

4．控制器及微命令的基本形式P100（1）微命令的基本形式在模型机中，微命令有两种形式。①电位型微命令n各寄存器输出到ALU总线的控制信号：R0、R1、OUTOUTPC、SP、MDR等。OUTOUTOUTnALU运算控制信号：ADD、SUB、AND、OR、XOR等。n暂存器D的左移/右移控制信号：SAL、SAR。n程序计数器PC的计数控制信号：PC+1。nMAR和MDR输出到系统总线的控制信号:EMAR,EMDR。n寄存器置入控制信号有：SMDR、SPSW。n主存的读/写信号有：RD、WR。②脉冲型微命令n脉冲型微命令(寄存器打入脉冲）：CPR0、CPR1、CPPC、5CPIR、CPSP、CPMAR、CPMDR等。

P100（2）控制器传统控制器的主要部件包括：指令寄存器IR、指令译码器、程序计数器PC、状态字寄存器PSW、时序系统和微操作信号发生器。定义：控制器是整机的指挥中心，其基本功能就是执行指令，即根据指令产生控制信号序列以控制相应部件分步完成指定的操作。6

P1013.3.2数据传送1．寄存器之间的数据传送在模型机中，寄存器之间可直接通过ALU总线传送数据，具体传送由输出门和打入脉冲控制。例如：把寄存器R1的内容传送到寄存器R3，即实现传送操作R1→R3所需控制信号为R1OUT、CPR37

2．主存数据传送到CPU（读）主存与CPU之间通过系统总线传送数据。例如：要从存储器中取指令到指令寄存器IR，通过以下操作序列即可实现：①PC→MAR；PC(指令地址)送存储器地址寄存器n实现PC→MAR的控制信号：PCOUT、CPMAR。②M→MDR→IR；从选中存储器中读指令到IRn实现读操作M→MDR的控制信号：EMAR、RD、SMDR；n实现MDR→IR的控制信号：MDROUT、CPIR。8

3．CPU数据传送到主存（写）例如：在R2中存放需写入主存的数据，存储单元地址在R1中，则写一个数据到存储器可通过以下操作序列实现：①R1→MAR；地址送MARn实现R1→MAR的控制信号：R1、CPMA。ROUT②R2→MDR；数据送MDRn实现R2→MDR的控制信号为R2、CP。OUTMDR③MDR→M；数据写入选中的主存n实现写操作MDR→M的控制信号为EMAR、EMDR、WR9

P1024．执行算术或逻辑操作例如：完成“把寄存器R1和R2的内容相加，结果送到R3”这个功能，需要分成3步执行：①R1→D；把R1的内容先送到寄存器Dn实现R1→D的控制信号：R1、CP。OUTD②D+R2→Z；R2内容送到ALU的B端与D内容通过ALU相加，结果送Zn实现D+R2→MDR的控制信号：R2、ADD、CP。ZOUT③Z→R3；将存放在Z中的相加结果送入R3中n实现Z→R3的控制信号：ZOUT、CPR3。10

第四节组合逻辑控制器原理P102组合逻辑控制器是指产生控制信号（即微命令）的部件，是用组合逻辑线路来实现。在模型机中有几十个微命令，则每个微命令都需要一组逻辑门电路，根据相应的逻辑条件（如指令的操作码、寻址方式、时序信号等）产生该微命令。本节先介绍模型机的指令系统，然后假设模型机采用的是组合逻辑控制器，讨论其时序系统、指令执行流程及微命令的产生与综合。组合逻辑控制器一旦制造后，逻辑电路之间的关系