中央处理器
复习重点
- 控制器的基本组成，包含哪些部件，核心部件是什么
- 时序系统中的几个概念：指令周期、机器周期、节拍、节拍脉冲
- CPU 中的专用寄存器有哪些（PC、IR、MDR、MAR、PSWR）
- 根据 CPU 内部的数据通路写出指令的微操作流程
- 组合逻辑控制器和微程序控制器的区分
- 区分概念：微命令和微操作、指令和微指令、程序和微程序、存储器和控制存储器等
- 微指令的设计，操作控制字段的编码方式（直接控制、最短编码、字段编码），后继微地址的断定方式
控制器的组成和功能
主要包括: 指令部件、时序部件、微操作信号发生器、中断控制逻辑
- 指令部件: PC, IR, ID, PSWR
- 程序计数器 PC
- 指令寄存器 IR
- 指令译码器 ID
- 程序状态字寄存器 PSWR
- 时序部件
- 脉冲源
- 启停控制逻辑
- 节拍信号发生器: 又称脉冲分配器，脉冲源
节拍信号
- 微操作序形成部件（核心）
- 微操作信号发生器，形成微操作命令序列
- 可由组合逻辑控制电路或微程序控制电路来实现
- 中断控制逻辑: 处理异常、特殊情况
- 地址形成部件: 形成操作数有效地址
- 控制器的功能: 对指令流在时间和空间上实现正确的控制
- 取指令、分析指令、执行指令、控制主机与I/O设备交换信息、中断控制
时序系统
- 指令周期: 从取指开始，到执行完该指令所需的全部时间
- 机器周期(CPU周期): 一条指令可以分成一些基本操作，完成每个基本操作所需的时间，成为一个及其周期。常把访内一次所需的时间定位一个CPU周期
取指 执行 间址 处理中断 CPU 取指周期 CPU 执行周期 CPU 间址周期 CPU 中断周期 - 每个周期设置一个周期状态触发器
- 节拍: 计算机中最基本的（不能再分的）时间单位
- 一个机器周期分成若干个相等的节拍，每一时间段完成一个或多个微操作，每个时间段对应一个电位线号，称为节拍电位信号
- 很多微型机不设节拍，用时钟周期
- 工作脉冲(节拍脉冲): 为了在一个节拍内产生几个不同的微操作控制信号，常在一个节拍内设置一个或多个工作脉冲，用以控制节拍内微操作的时序动作。也称为打入脉冲或触发脉冲
CPU 中的寄存器设置
- 通用寄存器
- 专用寄存器
- PC, IR, MDR, MAR, PSWR
指令执行的流程
- 取指令text
(PC) → MAR Read M[MAR] → MDR (MDR) → IR (PC + 1) → PC - 分析指令
- 执行阶段text
((R0)) + (R1) → (R0)
例子
text
# 取指
(PC)→MAR, (PC)→Y, Read
M[MAR]→MDR, (MDR)→IR
(Y)+1→Z, (Z)→PC
# 取数
(R0)→MAR, Read
M[MAR]→MDR, (MDR)→Y
# 执行
(Y)+(R1)→Z
(Z)→MDR, Write微程序的相关概念
- 微命令和微操作
- 控制命令叫微命令
- 接受命令后的操作叫微操作（相容，相斥）
- 微指令与微地址
- 一组实现一定操作功能的微命令的集合，在控制存储器中存放时对应一个微地址
- 微周期
- 从控制存储器读出一条微指令并指定所需的全部时间
- 微程序
- 一系列微指令的有序集合
- 控制存储器与微地址
- 存放微指令的控制存储器的单元地址称为微地址
区分概念
- 机器指令和微指令
- 一条及其指令对应一个微程序，是若干条微指令组成的序列实现的
- 程序和微程序
- 微程序由微指令组成，用于描述机器指令，计算机设计者存放在控制存储器中
- 程序由机器指令组成，软件设计人员存放在内存或外存中
微指令的编码方式
- 直接控制: 水平控制，不编码法
- 编码控制: 垂直控制，编码法
- 直接控制: 每一位代表一个微命令，直接对应一种微操作
- 最短编码法: 统一二进制编码
- 字段直接编码法: 互斥的微命令划分在同一字段内，相容的划分在不同字段内。一般每个子字段应留出一个状态，表示本字段不发出任何微命令
- 字段间接编码法: 一个字段编码不能直接独立定义一个微命令，必须和其他字段的编码联合定义
微程序的顺序控制方式
- 初始地址形成
- 一级功能转移: 直接用操作码作为微地址低位
- 多级功能转移: 按指令类型标志转移，区分哪一类指令
- 后继微地址形成
- 增量方式: （顺序—转移方式） 和及其指令顺序控制相似，设置微程序计数器 uPC
- 断定方式: 由设计者指定或由设计者指定的测试判定字段控制产生
- 非因变分量，由设计者直接决定，一般是高位
- 音变分量，根据判定条件产生，一般是低位