第6章本科1.ppt

第6章 中央处理器 6.1 CPU的功能及组成 6.2 指令的执行过程 6.3 时序部件 6.4 微操作控制器 6.5 CPU 6.6 多媒体CPU 6.7 CPU结构举例 6.1 CPU的功能及组成 当前世界上大多数计算机的中央处理机由下述两种方法实现： (1) 采用半导体公司(工厂)生产的微处理器构成通用的或专用的计算机系统以及工作站等。 (2) 一些计算机公司采用自行设计制造的芯片来构成大、中、小型计算机的CPU。 Intel 80386 微机系统框图及功能如下： Intel 80386微机系统框图 80386结构及外部连线 Intel 80386包括指令部件、执行部件和存储管理部件等。 指令部件完成取指及指令译码功能，并产生控制信号 执行部件包括ALU、乘法部件、寄存器组等 存储管理部件用来确定存储器地址。 Intel 80386引出端信号 CPU的功能 指令控制 是CPU的首要任务 操作控制 是协调各个工作部件按指令要求完成规定任务的基础 时序控制 保证各个功能部件组合构成有机的计算机系统 数据加工 是完成程序的基础，是CPU的根本任务。 CPU组成 控制器 程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成 是协调和指挥整个计算机系统工作的“大脑” 任务是：取指令、译码和数据流控制 运算器 算术逻辑部件、累加器、数据缓冲寄存器、寄存器组和状态寄存器组成。 数据加工处理部件。 接受控制器的命令完成具体数据加工任务 CPU中的主要寄存器 数据缓冲寄存器（DR） 功能：存放CPU从主存读来的一个指令字或一个数据字。 指令寄存器（IR） 功能：用来保存当前CPU正在执行的一条指令。 程序计数器（PC） 功能：存放后继指令（下一条指令）的地址。 程序计数器应当具有寄存计数2种功能。 取指刚开始时，PC中包含的是现行指令的地址，取指完成后，PC中包含的是后继指令的地址。 地址寄存器（AR） 功能：用来保存当前CPU所要访问的主存单元或I/O端口的地址。 累加寄存器（AC） 简称累加器。 功能：为ALU提供一个操作数，并用来保存操作的结果。 状态寄存器（PSW） 功能：用来保存执行算术运算指令、逻辑指令及各类测试指令时自动产生的状态结果，为后续指令的执行提供判断条件。 操作控制器 数据通路：通常把许多寄存器之间传送信息的通路 。 操作控制器 ： 在各寄存器之间建立数据通路的任务 功能：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。 分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑型与存储逻辑结合型三种 操作控制器产生的信号必须定时，还必须有时序信号产生器。 指令周期 CPU从主存中取出一条指令到执行完这条指令所需的时间。 机器周期 指令周期常常用机器周期数来表示，机器周期又称CPU周期。一个机器周期又包含若干个时钟周期。 时钟周期 时钟周期是处理操作的最小时间单位，它通常被称为节拍或T周期。 指令周期由若干个机器周期（CPU周期）组成。 所有指令周期的第一个机器周期都为取指周期。 每个机器周期又由若干个节拍（时钟周期）组成。 根据指令操作的复杂程度不同，各种指令所需的机器周期也不同。 4条典型指令组成的一个简单程序 不需访存指令的指令周期( CLA ) 需要2个机器周期。 第1个机器周期用来进行取指和译码操作 第2个机器周期用于指令的执行操作。 在指令执行阶段，CPU根据译码器输出的结果，进行指令所需的操作。非访主存指令的执行过程如下图 直接访存指令的指令周期(ADD 30) 需要3个机器周期。 第1个机器周期用来进行取指和译码操作 第2个机器周期用于送操作数地址。 第3个机器周期进行取操作数和执行加法操作。 直接访主存指令的执行过程如下图 间接访问主存指令(STAI 31) 第3条为STAI 31指令，是一条间接访问主存的指令 由4个机器周期组成。 取指、译码 送地址指针 取操作数地址 存储结果 程序控制指令（JMP 21） 无条件转移指令 无条件把PC的值修改为021 JMP可以是直接寻址，也可以是间接寻址。 如下图所示： 指令周期流程图 6.3 时序部件 节拍电位发生器 计算机中最基本的信号。代码传送、运算 节拍脉冲发生器 代码选通，是额外的信号 一般是节拍做准备，脉冲来工作。 脉冲源 脉冲源：机器主频，产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号。 6.4 微操作控制器 控制器和运算器一起组成了CPU，即中央处理器，控制器是整台计算机的指挥系统。指挥和控制全机的各个部分，使他们有条不紊的工作。 本节内容对建立计算机的