计算机组成原理第二版课件 组成原理第五章.ppt

计算机组成原理 宋红 sxyqsh@163.com 第五章 中央处理器 5-1 CPU基本组成和功能 5-2 CPU指令周期 5-3 微程序控制器 5-4 时序产生器和控制方式 5-5 早期的CPU 5-6 流水方式CPU 5-7 RISC CPU 5-8 多媒体CPU 5.1.1 CPU的组成 一般来说，CPU由运算器和控制器两大部分组成。但是随着高密度集成电路技术的发展，早期放在CPU芯片外部的一些逻辑功能部件，如浮点运算器、cache等纷纷移入CPU内部，因而使CPU的内部组成越来越复杂。这样CPU的基本组成部分变成了运算器、cache 和控制器三大部分。 本章以CPU执行指令来组织教学内容。给出下页图所示的CPU模型。便于读者建立计算机的整机观念。 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，控制器的主要功能有： （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。比如一次内存读／写操作，一个算术逻辑运算操作，或一个输入／输出操作。 （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、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。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。运算器有两个主要功能： CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能： 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 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，必须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。 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。 数据加工 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。 5.1.3 CPU中的主要寄存器 各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但是在CPU中至少要有六类寄存器，如图5－1所示。这些寄存器是：指令寄存器（IR）；程序计数器（PC）；地址寄存器（AR）；缓冲寄存器（DR）；累加寄存器（AC）；状态条件寄存器（PSW）。这些寄存器用来暂存一个计算机字。 1．数据缓冲寄冲器（DR） 数据缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存储一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据缓冲寄存器中。缓冲寄存器的作用是： （1）作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站； （2）补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别； （3）在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。 2．指令寄存器（IR） 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存读取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。 3．程序计数器（PC） 为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器（PC）正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送入PC，因此PC的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对PC加1。 4．地址寄存器（AR） 地址寄存器用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读／写操作完成为止。 当CPU和内存进行信息交换时，即CPU向内存存／取数据时，或者CPU从内存中读出指令时，都要使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。同样，如果我们把外围设备的设备地址作为内存的地址单元看待，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。 地址寄存器的结构