《计组》--中央处理器

计组

1. cpu的功能

• 指令控制
• 操作控制
• 时间控制
• 数据加工

2. cpu的组成

• 控制器
  1)组成：程序计数器，指令寄存器IR，指令译码器，操作控制器OC，时序产生器。
  2）功能：1.取指并修改程序计数器PC
  　　　　　2.对指令进行译码或者测试，产生相应的操作控制信号。
• 运算器
  1）组成：算术逻辑单元ALU，通用寄存器RF，数据缓冲寄存器DR(ER)，状态条件寄存器PSW。
  2）功能：算术运算和逻辑运算。
• 控制器作用
  1）取指并计算下一条指令的位置。
  2）对指令进行译码和测试，并产生相应的控制信号。
  3）指挥并控制总线中数据的流动方向。
• 运算器作用
  1）执行算数运算。
  2）执行逻辑运算。

2.5. CPU内主要的寄存器功能

• 数据缓冲寄存器DR（ER）
  1)用来暂存来自ALU，主存，外部接口的数据。
  2)作用：作为ALU和寄存器传送数据之间的缓冲，补偿CPU和内存，外设之间操作速度的差别。
• 指令寄存器IR：用来保存当前正在执行的一条指令。
• 程序计数器pc：记录下一条指令的地址。
• 数据地址寄存器AR：用来保存当前访问主存所需要的地址。
• 通用寄存器R0~R3(RF)：通用寄存器。
• 状态字寄存器PSW：用来保存运算或者检测结果产生的状态位，包含有运算结果进位标志C，运算结果溢出标志V，运算结果为零标志Z，运算结果为负标志N，等等。

3. 指令周期

• 组成：指令周期由若干个CPU周期组成，CPU周期又称为机器周期，时钟周期。其中指令周期分为取指和执行两个部分。

4. 常见的指令执行流程

• 因为所有指令执行过程都包含有占用一个机器周期的取指操作，所以下面我们主要讨论的是执行操作。
  
  1. $MOV　R_0,R_1$
     第一个机器周期：$R_1->ALU，ALU->DR，DR->R_0$
  2. $LAD　R_1,6$
     第一个机器周期：$直接地址码6　->AR$
     第二个机器周期：$RAM（6号单元）->DR，DR->R_1$
  3. $ADD　R_1,R_2$
     第一个机器周期：$R_1,R_2->ALU，ALU->DBUS，DBUS->DR，DR->R_1$
  4. $STO　R_1,R_2$
     第一个机器周期：$R_2->DBUS，DBUS->AR$
     第二个机器周期：$R_1->DBUS，DBUS->RAM(R_2号单元)$
  5. $JMP　101$
     第一个机器周期：$101->PC$

5. 时序信号和控制方式

• 指令周期：取指时间+执行时间
  1）单周期：指令周期等于CPU周期
  2）多周期：指令周期等于多个CPU周期
  3）在课文中：机器周期 = CPU周期 = 时钟周期
• CPU中的时间机制：机器周期（CPU周期/节拍电位），T周期（节拍脉冲）
• 产生时间标志的方法：时序发生器
  1）时间标志：协调各个器件工作顺序，通过时序信号来实现
  2）最基本的时序信号体制：电位-脉冲制
  3）控制器中的时序控制：
• 在硬布线控制器中，时序信号采用的是主状态周期-节拍电位-节拍脉冲。
• 在微程序控制器中，时序信号采用的是节拍电位-节拍脉冲。

• 一个节拍电位 = 一个CPU周期

• 控制器的控制方式：
  1）同步控制方式：每条指令的机器周期数和时钟周期数相同。
  2）异步控制方式：不同指令的指令周期可以有不等的机器周期数决定，没有固定的CPU周期数和严格的时钟周期数进行同步。
  3）联合控制方式：机器周期的节拍脉冲数确定，指令周期的周期数不确定。

6. 微程序控制器

0）一些基本概念：

微程序：由若干条微指令构成。
微指令：完成某一个操作的指令，也就对应了一个总线周期。
微命令：特定操作的控制命令的微命令。
微操作：执行部件接受微命令之后所进行的操作，分为相容和相斥两种微操作。
对比CPU周期和微指令周期，机器指令和微程序：
　　CPU周期对应着一条微指令，所以CPU指令周期等于微指令周期。而一条机器指令对应着一个微程序，一条机器指令是由若干条微指令构成的，因此一条机器指令可以有若干个cpu周期。
　　

1）微指令基本格式：操作控制部分和顺序控制部分

• 关于控制部分的表示方法：
  
  1. 直接表示法：指令控制部分每一位是一个微命令，产生一个微操作。
  2. 编码方式法：将一组互斥的信号放在一组，每一只产生一个控制信号。0用来表示全部都不选，所以3位编码可以表示7个控制信号，4位编码可以表示15个控制信号。
  3. 混合表示法：将上述表示法混合使用。
  4. 关于顺序控制部分的顺序控制问题：如何确下一条微指令的地址问题。
  5. 计数器方式：顺序执行和非顺序执行，顺序执行时加上一个增量形成后继微地址，非顺序执行时通过转移的方式直接指定后继微地址。
  6. 多路转移方式：使用P位决定是否转移，而状态条件则表示每次跳转的分支数，P的位数表示的分支处。分支处指的是共有多少处多路转移，而状态条件所表示的每一处多路转移的路数！

2）不同的微指令格式：

• 水平型微指令：
  1）格式：控制字段|判别测试字段P位|下地址字段。
  （p字段的位数取决于有多少分支，而每一个分支有多少路分支是由测试）
  2）特点：一次可产生多种并行控制操作。
  3）按照控制字段还可以再继续细分为全水平型指令，字段译码法水平型指令，直接和译码相混合的水平型指令。

• 垂直型微指令
  1）特点：设置微操作码字段，由操作码规定指令的功能。并且一条微指令只有1~2个微命令。

• 两种格式微指令对比：
  1）使用水平型指令编写的微指令程序短
  2）水平型微指令一般直接控制对象，而垂直型微指令要经过译码
  3）垂直型微指令比较容易掌握

7. 硬连线控制器

重点：一个控制信号就是一个逻辑表达式
　　微命令 $C_n = f(I_m,M_i,T_k,B_j)$，其中$I_m$表示的是指令操作码译码器的输出，这里可以用指令的OP伪代码来表示。$M_i$表示的是节拍电位信号，$T_k$表示的是节拍脉冲信号，$B_j$是执行部件的反馈信息。
　　指令的执行流程，每条指令所执行的阶段使用某条指令的所需要的最多节拍数$M_n$莱斯表示。很明显这里使用的是同步工作的方式，长指令和短趾令所具有的节拍时间是一样的，所以对于短节拍来说，这无疑是一种浪费。所以我们可以使用jmp指令，来避免浪费未使用的节拍，直接跳到$M_1$执行下一条指令。