计算机组成原理（第二版） 第9章 CPU的结构与功能.ppt

第九章 CPU的结构与功能 重点内容： 处理器组织； 寄存器组织； 控制器； 指令周期； 时序产生器； 指令流水。 计算机的基本功能是执行程序，计算机的核心组成部分是CPU，由运算器和控制器组成。控制器根据指令指挥和协调计算机各部件有条不紊地工作，由操作控制器和时序控制器组成。根据CPU的基本功能设计CPU内部的基本部件和结构。 9.1 CPU的组织 计算机系统的基本组成主要包括3个部分：中央处理器（CPU）、存储器和I/O系统，它们之间通过总线连接起来。 运算器和控制器共同构成CPU，它是计算机系统的核心。计算机接通电源后，如果没有程序，不会工作，程序必须编译成计算机所能识别的机器指令后，装入内存，才可以由计算机来自动完成取指令、译码和执行指令等任务。计算机中就是由CPU来完成这项工作的。 9.1.1 CPU的功能 ① 指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，严格按程序规定的顺序进行，因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。 ② 操作控制：一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行操作。 ③ 时间控制：对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。 ④ 数据加工：所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，是CPU的根本任务，因为，原始信息只有经过加工处理后才能对人们有用。 9.1.2 CPU的基本组成 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。它的主要功能有： ① 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。 ② 对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。 ③ 指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。 运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（或通用寄存器）、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。 9.1.2 CPU的基本组成 简化的CPU视图 9.2 寄存器组织 CPU中的寄存器按功能可分为如下两类： 用户可见寄存器（User-Visible Register）：允许机器语言或汇编语言的编程人员通过优化寄存器的使用而减少对主存的访问。 控制和状态寄存器（Control And Status Register）：用来控制CPU的操作并被特权的操作系统程序用于控制程序的执行。 9.2.1 用户可见寄存器 通用寄存器（General Purpose Register）可被程序员指派各种用途。有时，它们在指令集中的使用是正交于操作的，即任何通用寄存器能为任何操作码容纳操作数。这提供了真正通用的意义。 数据寄存器仅可用于保持数据而不能用于操作数地址的计算。 地址寄存器可以是自身有某些通用性，或是专用于某种具体的寻址方式。 条件代码（Condition Codes）寄存器，也被称为程序状态字（Program Status Word，PSW），CPU硬件设置这些条件位作为操作的结果。 9.2.2 控制和状态寄存器 ① 程序计数器（PC）：含有待取指令的地址。 ② 指令寄存器（IR）：含有最近取来的指令。 ③ 存储地址寄存器（MAR）：含有存储器位置的地址。 ④ 存储缓冲寄存器（MBR）：也称为存储数据寄存器（MDR），含有将被写入存储器的数据字或最近读出的字。 简单CPU模型 9.2.3 操作控制器和时序控制器 操作控制器可分为时序逻辑型和存储逻辑型两种。第一种称为硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的，它的优点是速度快，缺点是结构不规整，设计、调试、维护较困难；第二种称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的，优点是设计规整，调试、维护、扩充指令方便。 操作控制器产生的控制信号必须定时，为此必须有时序产生器。因为计算机高速地进行工作，每一个动作的时间是非常严格的，不能太早也不能太迟。时序产生器的作用，就是对各种操作信号实施时间上的控制。 9.3 控制器组织 控制器的功能是，从存储器中取指令，对指令译码产生控制信号并控制计算机系统各部件有序地执行，从而实现指令的功能。为了实现控制器的这些功能，需要配备相应的器件。 9.3.1 控制器的基本组成 （1）指令寄存器（IR） 用来存放由内存取出的指令，在指令执行过程中指令一直保存在IR中