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第二章 微处理器和系统结构 本章内容提要 本章主要介绍 微处理器（CPU）的主要组成部分及各部分功能 Intel 8086微处理器组成结构、引脚信号及功能 86系统组成 高性能微处理器简介 第一节 微处理器的基本结构 微处理器的主要组成部件 微处理器（CPU）由下列主要部分组成： 算术逻辑单元 ALU 控制器 寄存器阵列 总线和总线缓冲器 高性能的CPU还有：指令预取部件，指令译码部件、 地址形成部件、存储器管理部件等。 一、算术逻辑运算单元（ALU） ALU是对二进制数进行算术逻辑运算的基本部件。 数据加工处理可归纳为两种基本运算： 算术运算，逻辑运算。 一、算术逻辑运算单元（ALU）（续） ? 算术运算： 可进行无符号数和带符号数的加、减、乘、除 运算，符号数采用补码表示，减法通过求负数的补码 而变成加法运算。还可进行BCD码运算。 乘、除可以通过多次重复加、减和移位实现。 一、算术逻辑运算单元（ALU）（续） 例如：13 ? 11=143=8FH 1 1 0 1 采用部分积左移和加法 ? 1 0 1 1 可完成二进制乘法。 ———— 1 1 0 1 1 1 0 1 ←部分积左移 0 0 0 0 + .1.1.0.1 ———————— 1 0 0 0 1 1 1 1 一、算术逻辑运算单元（ALU）（续） ? 逻辑运算：可完成逻辑“与”、“或”、“非”、 “异或”、“移位”等基本的逻辑运算。 ? 浮点运算：浮点数可以看作是由两个定点数 组成，尾数与阶码。在对阶后可以对尾数进行运算。 浮点数运算可以用软件实现。也可以专门生产浮 点运算部件和浮点微处理器，并设有专门的浮点运算 指令，可进行32位或64位浮点加、减、乘、除运算。 Pentium处理器已把浮点处理器与主处理器集成到一 个芯片上。 早期的浮点处理器有：8087、80287、80387协处理器。 一、算术逻辑运算单元（ALU）（续） ALU框图如下： （P28 图2.1） 二、控制器 ? CTRL是发布操作命令的部件，操作的顺序需要 精确的定时，其内部主要组成如下： 1、指令部件 包括程序计数器（PC)，指令寄存器（IR），指 令译码器（ID）。 2、时序部件 包括时钟系统，脉冲分配器。 3、微操作控制部件 可采用组合逻辑控制，微程序控制和可编程逻辑阵列（PLA）来实现。 二、控制器（续） 控制器的组成框图（P图2.2） 二、控制器（续） ? 时钟周期（T state）：主时钟的两个脉冲 前沿的时间间隔称为一个时钟周期，又称为T状态。 它CPU操作的最小时间单位。 ? 机器周期：由2～5个T状态组成一个机器周 期（Machine Cycle），称为M周期，又叫做总线周 期，用来完成一个基本操作，如 MEM读/写，I/O 读/写等。 ? 指令周期：一条指令（的取出和）执行所需 的时间称为指令周期（Instruction Cycle），一条指 令执行需1～5个M周期。 二、控制器（续） M1 机器周期 二、控制器（续） 微操作控制部件： 根据指令产生计算机各部件所需要的控制信号， 如传送、加减、逻辑运算等，由译码 器输出、节拍 发生器输出等进行组合而产生，完成指令所规定的全 部操作。 二、控制器（续） 该部件可采用： 组合逻辑控制（控制信号采用组合逻辑电路设计实 现）； 微程序控制（若干微指令组成的微程序）； 可编程逻辑阵列（PLA、EPLD等） PLA（Programmable Logic Array） EPLD（Electrically Programmable Logic Device） 等方法实现。 三、总线与总线（缓冲器）部件 所谓总线是指计算机中传送信息的一组通信线， 将多个部件连成一