第五章中央处理机..ppt

第五章 中央处理（器）机 计算机的核心部分称为中央处理器（Central Processing Unit），简称 CPU，它（早期）由运算器、控制器和寄存器组成。现代CPU中增加了Cache器件。 5.1 CPU 的功能和组成 计算机（微型机）的工作过程为： 加电 → 产生 Reset 信号 → 执行指令 → 停机 → 断电 对于冯.诺曼结构的计算机而言，一旦程序进入存储器后，就由控制器负责协调并控制计算机的各部件执行程序的指令序列，其基本工作过程为： 取指令 分析指令 执行指令 CPU 的功能： （1）指令控制：控制指令的执行顺序，逐条执行或跳转执行。 （2）操作控制：解释并控制指令的运行，即产生完成每条指令所需的控制命令。 （3）时间控制：产生操作时序，按时间顺序启动各类操作，即对各种操作实施时间上的控制。 （4）数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算。 （5）处理中断：对异常情况进行处理。 CPU 的基本组成 CPU 通常由以下四部分组成： （1）CU：能发出各种操作命令序列的控制部件。 （2）ALU：能实现算逻运算的部件。 （3）寄存器组：能存放指令或数据、指令地址或数据地 址、状态信息等。 （4）中断系统：能处理异常情况和特殊请求。 CPU 的寄存器 CPU 中的寄存器大致可分为两类：一类属用户可见寄存器，用户可对这类寄存器编程，以及通过优化使CPU 因使用这类寄存器而减少对主存的访问次数。另一类属控制和状态寄存器，用户不可对这类寄存器编程，它们被控制部件使用，以控制 CPU 的操作，也可被带有特权的操作系统程序使用，从而控制程序的执行。 （1）数据缓冲寄存器 DR 用于暂存由 CPU 送往内存的数据信息，或由内存送往 CPU 的指令信息和数据信息。 （2）指令寄存器 IR 保存现行指令，从存储器取出的指令存放在 IR 中。指令寄存器中操作码字段输出作为指令译码器的输入，经译码转换为具体操作信号。 （3）程序计数器 PC 保存下一条指令地址，又称为指令地址寄存器。PC 是具有计数功能的寄存器。 （4）地址寄存器 AR 用于保存当前 CPU 所访问的内存单元地址。由于内存与 CPU 的速度差异，地址需保存至内存读 / 写操作完成为止。 （5）通用寄存器组 GR 由多个寄存器组成，可存放操作数及地址信息。 CPU 中的通用寄存器有多个，可组成通用寄存器堆结构。使用时对寄存器进行编号，按寄存器号进行访问。 （6）累加寄存器 AC AC 简称为累加器，它是特殊的通用寄存器。其功能是暂存 ALU 运算结果，运算器中至少要有一个累加寄存器。 （7）程序状态寄存器 PSW（ SR） SR 是一个由各种状态条件标志组成的寄存器，用于存放程序状态字 PSW。 PSW 包含按算术、逻辑指令运行或测试的结果建立的条件码，如进位标志（C），溢出标志（V），结果为零标 志（Z），负标志（N）等，这些标志分别由 1 位触发器保存。除此之外，PSW 还包含中断和系统工作状态等信息，以便使系统及时了解机器运行状态和程序运行状态。 操作控制器与时序发生器 （1）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。 信息由源传送到目的，其传输路径、传输方法由操作控制器决定。操作控制器的功能是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，从而建立数据通路，完成取指令和执行指令的控制。 （2）操作控制器 为数据通路的建立提供各种操作信号。根据设计方法不同，可分为时序逻辑型（硬布线控制器）和存储逻辑型（微程序控制器）。 （3）时序产生器 对各种操作实施时间上的控制，即提供定时和时序信号提供定时和时序信号 。 5.2 指令周期 计算机所以能自动地工作，是因为CPU能从存放程序的内存里取出一条指令并执行这条指令；紧接着又是取指令，执行指令……，如此周而复始，构成了一个封闭的循环。除非遇到停机指令，否则这个循环将一直继续下去。 指令周期的基本概念 （1）指令周期：CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。 通常一个指令周期包含