第4章 中央处理器_V1.2

*第四章中央处理器张光河Email:guanghezhang@163.comwww.guanghezhang.com**大纲4.1中央处理器的结构4.2指令周期与时序产生器4.3微程序控制与设计4.4硬布线逻辑控制器4.5多核处理器4.6指令执行过程与数据通路4.7指令流水线与冲突处理4.8中央处理器的新进展4.9小结**4.1中央处理器的结构中央处理器（CPU）包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。中央处理器从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。*4.2指令周期与时序产生器4.2.1指令周期4.2.2时序产生器*4.2.1指令周期指令周期CPU周期时钟周期*4.2.2时序产生器时钟源环形脉冲发生器启停控制逻辑*4.3微程序控制与设计4.3.1微程序控制简介4.3.2微指令简介4.3.3微程序控制器4.3.4微程序设计*4.3.2微指令简介微指令：在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。将一条指令分成若干条微指令，按次序执行这些微指令，就可以实现指令的功能、组成微指令的微操作，又称微命令。*4.3.3微程序控制器控制存储器微指令寄存器微指令寄存器*4.3.4微程序设计直接控制法字段直接编译法字段间接编译法常数原字段E*4.4硬布线逻辑控制器4.4.1硬布线逻辑控制器4.4.2硬布线逻辑设计*4.4.1硬布线逻辑控制器硬布线控制器主要由组合逻辑网络、指令寄存器和指令译码器、节拍电位/节拍脉冲发生器等部分组成，其中组合逻辑网络产生计算机所需的全部操作命令，是控制器的核心。*4.4.2硬布线逻辑设计硬布线逻辑设计的步骤硬布线逻辑设计的注意事项*硬布线逻辑设计的步骤画出指令。列出微操作时间。进行微操作信号的综合。实现电路。硬布线逻辑设计的注意事项*4.5多核处理器多核心，也叫多微处理器核心，是将两个或更多的独立处理器封装在一起的，通常在一个集成电路（IC）中，双核心设备只有两个独立的微处理器。一般说来，多核心微处理器允许一个计算设备在不需要将多核心包括在独立物理封装时执行某些形式的线程级并发处理（Thread-LevelParallelism，TLP），这种形式的TLP通常被认为是芯片级多处理。*4.6指令执行过程与数据通路指令执行过程数据通路*指令执行过程第一步：取指令和分析指令。第二步：执行指令。*数据通路数字系统中，各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路。数据通路的设计直接影响到控制器的设计，同时也影响到数字系统的速度指标和成本。*4.7指令流水线与冲突处理流水线的工作原理流水线的特点流水线的分类流水线中的相关*流水线的工作原理顺序执行流水执行*流水线的特点一条流水线通常由多个流水段组成；每个流水段有专门的功能部件对指令进行某种加工；各流水段所需的时间是一样的；流水线工作阶段可分为建立、满载和排空3个阶段；在理想情况下，即不发生任何资源相关、数据相关和控制相关的情况下，当流水线满载后，每隔一个时钟周期解释完一条指令或有一个结果流出流水线。*流水线的分类按流水处理的并行等级分类按流水线功能的多少分类按流水线的工作方式分类按流水线的连接方式分类*流水线中的相关相关的概念相关的分类几个问题消除相关的基本方法流水线中的结构相关常见的导致结构相关的原因流水线中的数据相关流水线中的控制相关*4.8中央处理器的新进展4.8.1流水线处理器简介4.8.2超标量处理器简介4.8.3奔腾处理器简介*4.8.1流水线处理器简介流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就像工业生产上的装配流水线。在CPU中由5～6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5～6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。*4.8.2超标量处理器简介超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器，其实质是以空间换取时间。*4.8.3奔腾处理器简介奔腾处理器的产生奔腾处理器的发展奔腾处理器的辉煌Celeron奔腾III*4.8.4其他发展嵌入式RISC处理器是上个世纪90年代初问世的，代表性的产品有ARM公司的ARM、Motorola公司的Mcore、三菱公司的M32R、NEC公司的V8xx和日立公司的SH等。其设计思想与以往的微机、工作站和个人电脑用微处理器有所不同。这种新型微处理器随着消费类电子产品的数字化、移动化及网络设备的发展逐渐形成了一个巨大的市场。目前全球的年销售量已1996年的不到1亿只增长到6亿只以上。*4.9小结本章的主要内容包括CPU的功能与组成、指令周期与时序产生器、微程序控制器、硬布线控制器、多核处理器、指令执行过程和数据通路、指令流水线与冲突处理。在学习本章的过程中，需要熟悉中央处理器的功能；熟悉中央处理器的基本结构；熟悉中央处理器中主要寄存器的功能；熟悉指令周期的有关概念；熟悉数据通路的基本组成和掌握数据通路的设计方法；掌握控制器的设计方法，包括微程序控制器和硬布线控制器。**致谢谢谢大家！