第5章 央处理器.ppt

第5章 中央处理器 5.1 CPU的功能及组成 5.2 指令周期 5.3 时序 5.4 CPU的常用技术 5.5 微程序控制器 5.1 CPU的功能及组成 中央处理器（CPU），又称微处理器，由控制器和运算器（ALU）组成。 它除了包括控制器中所需要的寄存器，如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）和状态寄存器（PS）等，还需设置各种寄存器，如通用寄存器等。CPU使用这些寄存器来临时存放地址和数据，由于CPU可以直接处理这些数据和地址，因此可以减少访问内存次数，从而提高运算速度，也可作为算术逻辑运算部件的累加器。 5.1.1 CPU的功能 CPU（Central Processing Unit）又称中央处理器，是计算机系统的核心部件。 CPU是用来控制各部件协调工作的，主要的功能有指令控制、操作控制、时间控制和数据加工。 1. 指令控制 程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是指令的有序集合，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按照程序规定的顺序进行。因此，CPU的首要任务就是要保证机器按顺序执行程序。 2. 操作控制 一条指令的执行，会涉及到计算机中的若干个部件。要保证这些部件协同工作，需通过各种操作信号组合起来工作。因此，要协调各个工作部件按指令要求完成规定任务的前提是CPU产生操作信号送给被控部件，并能检测其他部件发送来的信号。 3. 时间控制 对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。只有指令的整个执行过程受到时间的严格控制，才能保证各功能部件有条不紊地工作。 4. 数据加工 在完成具体任务的过程中，就不免会涉及数据加工，即对数值数据的算术运算、逻辑变量的逻辑运算以及其他非逻辑数据（如字符、字符串）的处理。CPU的根本任务就是完成数据的加工和处理，因为原始信息只有经过加工和处理后才能对人们有用。 5.1.2 CPU的组成 传统的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，一些早期放在CPU外部的逻辑功能部件，如浮点运算器、Cache等纷纷移入CPU的内部，这样CPU就由运算器、Cache和控制器3大部分组成。本章重点讲解控制器。 控制器主要由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器5部分组成。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。 在CPU中至少要有以下6类寄存器： 1．数据缓冲寄存器（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，当向内存存入一条指令或一个数据字时，亦先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时间上的差别。 （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，先把它从内存取到数据缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。一条指令由操作码和地址码两部分组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，即指令译码器先对指令中的操作码进行译码。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。 3．程序计数器（PC） 为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用。当CPU取得当前要执行的指令后，通过修改程序计数器中的值来确定下一条指令在主存中的存放地址。 程序计数器值的修改分为两种情况：一是顺序指令的执行情况，二是分支转移指令的执行情况。 （1）顺序指令的执行情况。这种情况对程序计数器值的修改较为简单。对于单字节指令，只需将程序计数器值加1……对于n字节指令，则将程序计数器值加n。 （2）分支转移指令的执行情况。由分支转移指令的寻址方式确定下一条指令在主存中的地址。 4．地址寄存器（MAR） 地址寄存器用来保存当前CPU所访问的主存单元的地址，是CPU和内存之间的地址缓冲寄存器。当CPU和内存进行信息交换时，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。 5．累加寄存器（AC） 累加寄存器通常简称为累加器，它是一个通用寄存器。其功能是当运算器的算术逻辑单元（ALU）执行算术或逻辑运算时，为A