计算机组成原理电子教案唐为方 第5章 中央处理器.ppt

第五章 中央处理器 第五章 中央处理器 CPU的功能和组成 (掌握) 指令周期（掌握） 时序产生器和控制方式(理解) 微程序控制器概念（掌握） 微程序设计技术（理解） 硬布线控制器(理解) CPU的新技术(了解) 5.1 CPU的功能和组成 什么是CPU？ 所谓中央处理器是控制计算机来自动完成取出指令和执行指令任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为CPU。 控制器 由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、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。 控制器的主要功能有： 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。 对指令进行译码或测试，并产生相应的控制信号。 输出相应的控制信号，指挥并控制CPU，内存和I/O之间的数据流动的方向。 运算器 由算术逻辑单位（ALU）、累加寄存器（AC）、数据缓冲寄存器(DR)和状态条件寄存器(PSW)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。 运算器的主要功能： 执行所有的算术运算。 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。 CPU的功能和组成 CPU的主要寄存器 CPU的功能和组成 CPU的功能 5.2 指令周期 程序的执行过程： 指令周期 —读取指令 指令地址送入主存地址寄存器 读主存，读出内容送入指定的寄存器 —分析指令 —按指令规定内容执行指令 不同指令的操作步骤数 和具体操作内容差异很大 —检查有无中断请求 若无，则转入下一条指令的执行过程 指令周期的基本概念 指令周期 指令周期 下面以一个简单的程序来具体认识每一条指令的指令周期和执行过程。 CLA指令的指令周期 指令周期 指令周期 指令周期 ADD指令的指令周期 指令周期 指令周期 指令周期 STA指令的指令周期 指令周期 指令周期 NOP指令和JMP指令的指令周期 指令周期 注意 执行“JMP 21”指令时，我们此处所给的四条指令组成的程序进入了死循环，除非人为停机，否则这个程序将无休止地运行下去，因而内存单元40中的和数将一直不断地发生变化。 当然，我们此处所举的转移地址21是随意的，仅仅用来说明转移指令能够改变程序的执行顺序而已。 指令周期 用方框图语言表示指令周期 在进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示一条指令的指令周期。 一个方框代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制。 一个菱形符号代表某种判别或测试，不过时间它依附于它前面一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。 符号“~”代表一个公操作。 指令周期 小结： 各类信息的传送路径 指令：M-----DR-----DBUS-----IR 地址：PC----ABUS---AR------（取决于寻址方式） 数据： 寄存器----寄存器 总线直接传送 寄存器----存储器 Ri----DBUS----DR-----M 存储器----寄存器 M-----DR------BUS----Ri 例：如图所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器(具有自增功能)，M为主存(受R/W信号控制)，AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器， ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例中yi表示y寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。 1.“ADD R2，R0”指令完成（R0）+（R2）→R0功能操作。假设该指令的地址已放入PC中。 2.“SUB R1，R3”指令完成（R3）-（R1）→R3的功能操作。 操作控制器和时序产生器 数据通路：通常把许多寄存器之间传送信息的通路称 为“数据通路”。 2. 操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种 操作信号，以便正确建立数据通路，从而完成取指令和执 行指令的操作。 3. 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，不能有任何差错。时序产生器的 作用，就是对各种操作实施时间上的控制。 时序产生器和控制方式 时序信号的作用和体制 计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号来体现的。 操作控制器发出的各种控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部件位置）的函数。 组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是电位---脉冲制。 根据设计方法不同，操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型三种。 1.硬布