计算机组成原理电子教案第6章.ppt

第六章 中央处理器 6.1 CPU的功能和组成 6.1.1 CPU的主要功能 6.1.2 CPU的基本组成和结构 6.2 指令周期 6.2.1 指令周期的基本概念 6.2.2 指令周期分析举例 6.2.3 指令周期流程图 6.3 时序信号和时序产生器 6.3.1 时序信号的基本概念 6.3.2 控制器的控制方式 6.3.3 时序产生器的组成及工作原理 6.4 硬布线控制器 6.4.1 硬布线控制器的结构及工作原理 6.4.2 操作控制信号的设计 6.4.3 指令周期控制 6.5 微程序控制器 6.5.1 微程序控制原理 6.5.2 微指令的格式 6.5.3 水平型微指令的编码方法 6.5.4 微程序的执行顺序控制 6.5.5 动态微程序设计 6.6 指令流水线 6.6.1 并行处理的概念 6.6.2 指令流水线的工作原理 6.6.3 多功能流水线 6.6.4 流水线的性能指标 6.6.5 影响指令流水线性能的主要因素 6.6.6 提高指令级并行度的技术 6.6.7 典型流水处理器举例 6.1 CPU的功能和组成 6.1.1 CPU的主要功能 CPU的主要工作，就是按照程序指令的要求，完成所需的数据处理和控制任务。归纳起来，CPU应具有以下几个方面的基本功能： ⑴指令控制功能。指令控制即程序执行顺序控制。 ⑵操作控制功能。操作控制就是产生每条指令所需的操作信号，用以控制有关部件进行操作。 ⑶时间控制功能。时间控制就是控制各种操作的实施时间。 ⑷数据加工功能。数据加工就是对数据进行各类运算，以取得程序所要求的结果。 ⑸中断处理功能。 6.1.2 CPU的基本组成和结构 1．运算器 运算器是计算机的数据处理中心。运算器主要由ALU、通用寄存器组和状态条件寄存器PSW（也称处理器状态字）组成。 2．中断系统 CPU中的中断系统一般包含中断允许与禁止、接受中断请求和给予中断响应等功能。 3．总线接口 总线接口是CPU与外部的系统总线的接口，用以实现与存储器和外围设备进行信息传送。CPU的总线接口主要由存储器地址寄存器MAR、存储器数据寄存器MDR和总线控制逻辑组成。 4．内部数据通路 内部数据通路是CPU内部的数据传送通路，用于在寄存器之间或寄存器与ALU之间传送数据。 5．外部数据通路 外部数据通路一般借助系统总线，将寄存器（MAR和MDR）与存储器和I/O模块连接起来。 6．控制器 控制器是计算机的控制中心，计算机中其他组成部分的工作，都是在控制器的控制下进行的。控制器的任务，就是按照程序的安排，对其中的各条指令依次进行处理，直到程序结束。 指令的一般处理过程是： ⑴取指令。把本次要执行的一条指令从存储器中取出。 ⑵分析指令。对指令的操作码进行译码，确定指令的操作功能，并根据寻址方式特征，计算出操作数的有效地址。 ⑶执行指令。根据指令的操作需要，按规定的时间关系发出一系列操作控制信号，使有关的部件或设备执行所需的操作，以完成一条指令的操作功能。 重复以上过程，就可以执行完整个程序。 为了完成程序的执行，控制器需要有以下主要组成部件： ⑴程序计数器（PC）。PC用于提供将要执行的下一条指令的地址。 ⑵指令寄存器（IR）。IR用于存放从存储器取出的指令。 ⑶指令译码器（ID）。ID用于对指令的操作码进行识别，以确定指令的操作功能。 ⑷操作控制器。操作控制器用来产生计算机运行所需的各种操作信号。 ⑸时序产生器。时序产生器用于产生定时信号；定时信号的作用，是对操作控制器产生的操作信号实施时间上的控制。 根据设计方法不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器两种。 下图所示，为控制器的一般模型。 归纳起来，控制器所控制的操作无外乎以下几类： ⑴将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器。 ⑵将数据从一个寄存器传送到一个外部接口（如系统总线接口）。 ⑶将数据从一个外部接口传送到一个寄存器。 ⑷以寄存器作为输入和输出，完成一个算术或逻辑运算。 由此可见，控制器所控制的大多数操作都是数据传送操作，而数据传送是通过内部或外部的数据通路进行的，因此，控制数据在数据通路上正确传送，是控制器的主要工作。 一个未采用内部总线的简化的CPU模型，如下图中虚线下方所示。 【例6.1】