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软件学院·计算机组织与结构 第5章 中央处理器 8.1 CPU的功能和组成 当代主流计算机所遵循的仍然是冯.诺依曼的“存储程序、程序控制”思想 ??? 程序告诉计算机：应该逐步执行什么操作；在什么地方找到用来操作的数据，结果存到何处等 ? 中央处理器是控制计算机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（Central Processing Unit） 8.1.1 CPU的功能 ★ 指令控制 　保证机器按程序规定的顺序取出执行 8.1.3　CPU中的主要寄存器 数据缓冲寄存器（DR） 暂时存放由内存读出或写入的指令或数据字 指令寄存器（IR） 保存当前正在执行的一条指令 程序计数器（PC） 确定下一条指令的地址 地址寄存器（AR） 保存当前CPU所访问的内存单元的地址 累加寄存器（AC） 最常使用的一个通用寄存器 状态条件寄存器（PSW） 保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码 8.1.4 操作控制器与时序产生器 操作控制器在各寄存器之间建立数据通路（传送信息的通路） 操作控制器的功能: 就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制 硬布线控制器 微程序控制器 时序产生器产生并发出计算机所需要的时序控制信号 8.2? 指令周期 020?? ??CLA ；累加器清0 021??? ?ADD 30 ；（AC）+（30）→AC? 022? ???STA 40 ；（AC）→(40) 023?? ??NOP ； 空操作? 024? ???JMP 21 ； 21 → PC … 030 000 006 ; 数据 … 040 存和数 ; 数据 8.2.3　ADD指令的指令周期 8.2.4　STA指令的指令周期 8.2.5 NOP指令和JMP指令的指令周期 控制器的基本组成 2.时序部件 用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那么CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢? 时序信号的作用和体制 3级时序信号 1、周期 （1）在一个控制阶段内均持续起作用的信号； （2）通常用周期状态寄存器来标志和指明某某周期控制； （3）指令周期可分为取指周期、分析周期、执行周期。 2、节拍 （1）把一个机器周期分成若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称节拍电位； （2）一般都以能保证ALU进行一次运算操作作为一拍电位的时间宽度。 3、时标工作脉冲 （1）?及时改变标志状态； （2）?时标脉冲的宽度一般为节拍电位宽度的1/N，只要能保证所有的触发器都能可靠地，稳定地翻转即可。 时序部件能产生一定的时序信号，以保证机器的各功能部件有节奏地进行信息传送、加工及信息存储。包括： ⑴脉冲源 产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号。 ⑵启停控制逻辑 启停控制逻辑的作用是根据计算机的需要，可靠地开放或封锁脉冲，控制时序信号的发生或停止，实现对整个机器的正确启动或停止。 ⑶节拍信号发生器 节拍信号发生器又称脉冲分配器。脉冲源产生的脉冲信号，经过节拍信号发生器后产生出各个机器周期中的节拍信号，用以控制计算机完成每一步微操作。 微程序控制器 微命令 → 指令系统 处理器内部可以分为：控制部件和执行部件 微命令：控制部件向执行部件发出的控制命令 微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作 （微操作在执行部件中是最基本的操作） 微指令：实现一定操作功能的一组微命令 微程序：实现一条机器指令功能的微指令序列 机器指令与微指令 微程序控制器的基本结构 微程序控制器的基本结构 微程序控制单元设计 微程序设计控制单元的主要任务是编写对应各条机器指令的微程序，具体步骤是首先写出对应机器指令的全部微操作节拍安排，然后确定微指令格式，最后编写出每条微指令的二进制代码。 字段直接编码法 字段间接编码法 图6-11 字段间接编码法 流水CPU 洗衣房的流水作业 三个阶段： 1. 水洗(30) 2. 烘干(40) 3. 熨烫(20) 流水CPU 指令流水线 IF（Instruction Fetch） 取指令阶段 ID（Instruction Decode） 指令译码阶段 EX（Execute） 执行运算阶段 MEM（Memory Access） 存储器访问阶段 WB（Write Back） 写回结果阶段 流水线的时空图 流水线技术：把一个重复的过程分解为若干个