第六章 中央处理器.pptVIP

计算机组成原理：中央处理器CPU 第六章 中央处理器 中央处理器，简称CPU，是整个计算机的核心，它包括运算器和控制器。 CPU的主要功能是执行指令，控制并完成各种操作，包括运算操作、传送操作、输入输出操作等。 为了实现这些功能，需要解决4个关键问题。 CPU由哪些部件组成？ 各部件之间如何交换信息？ CPU如何建立与外部的连接？ CPU如何形成微命令序列来控制指令的执行？ 本章主要内容 主要内容 中央处理器的功能和组成 控制器的组成和实现方法 指令周期、时序系统与控制方式 微程序控制原理 操作控制单元的设计 流水线技术 一、中央处理器的功能 当我们用计算机解决某个问题时，首先要为计算机编写程序。程序是一个指令序列，这个指令序列就是要明确告诉计算机应该执行什么操作、数据从哪里来、结果送到哪里去。之后，一旦把程序装入主存，就可以由计算机自动地完成取出指令和执行指令的任务。 在程序运行过程中，在计算机的各部件之间传送着指令和数据，形成了指令流和数据流。数据是在传送过程中得到加工和处理的 。CPU的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。 CPU具备以下功能 CPU具备以下四个方面的功能： 指令控制：保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。 操作控制：CPU根据指令的要求，产生需要的操作信号。 时间控制：对各种操作信号进行定时，即进行时间控制。 数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算。完成数据的加工处理，是CPU的核心任务。 2、CPU的基本组成 运算器的组成与主要功能 运算器的组成： 算术逻辑单元（ALU） 累加寄存器 状态标志寄存器 数据缓冲寄存器 控制器的组成与主要功能 控制器的组成： 指令部件 程序计数器 指令寄存器 指令译码器 时序部件 脉冲源 节拍信号发生器 启停控制逻辑 微操作信号发生器 中断控制逻辑 3、CPU中的主要寄存器 CPU中的寄存器用来暂时存放运算过程的中间结果、最终结果以及状态信息。各种计算机CPU可能不同，但CPU中至少要有六类寄存器必不可少： 数据缓冲寄存器 指令寄存器 程序计数器 地址寄存器 累加寄存器 状态标志寄存器。 CPU中的主要寄存器（续） 数据缓冲寄存器（MDR）：用来暂存由内存读出或写入内存的指令和数据，是CPU和内存、外部设备信息传送的中转站 。 指令寄存器（IR）：用来存放当前正在执行的一条指令。在指令执行期间，指令寄存器的内容不允许发生变化。 程序计数器（PC）：用来存放将要执行的下一条指令的地址。 地址寄存器（MAR）：地址寄存器用来保存CPU当前所访问的内存单元的地址。只要CPU和内存交换信息，都要用到地址寄存器和数据缓冲寄存器。 累加寄存器（AC）：执行算术逻辑操作时，为ALU提供操作数及存放运算结果。 状态标志寄存器（PSW）：用来存放由指令执行结果所建立的状态以及机器自身的运行状态 ，第一类为状态标志 ，第二类为控制标志 。 4、控制器的核心部件 微操作信号发生器：控制器的核心部件，其功能是根据指令操作码、状态信息和时序信号，产生各种微操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的任务。 根据产生微操作控制信号的不同方式，控制器分为组合逻辑型、存储逻辑型以及组合逻辑与存储逻辑结合型三种。采用组合逻辑实现的控制器称为组合逻辑控制器，采用存储逻辑实现的控制器称为微程序控制器。 时序部件：脉冲源、节拍信号发生器和启停控制逻辑构成。微操作控制信号有严格的时间要求，绝不能出现任何差错。时序部件的作用是对各种操作实施时间上的控制。 5、CPU内部的数据通路 CPU内部各部件之间需要传送信息，例如操作数由寄存器送到ALU进行运算，ALU将运算结果送入寄存器存放，等等。把CPU内部各部件之间传送数据的通路称为数据通路。 通常，用总线连接CPU内部各部件。有三种内部总线结构，即单总线结构、双总线结构和三总线结构，我们曾在四章关于运算器的组织中介绍过。 二、指令周期 指令和数据都放在内存里。从形式上看，它们都是二进制代码， CPU是怎么准确地判别出是指令还是数据的 ？这要从指令周期说起。 1、指令周期的基本概念 CPU取指令—执行指令的序列： 2、举例，一个简单程序 ① CLA指令的指令周期 第一个CPU周期：取指令阶段 CPU完成三件事： ① 从内存中取出指令 ② 对程序计数器PC+1 ③ 对指令操作码进行译码 CPU做6个动作： ① PC?MAR ② PC+1?PC ③ MAR?ABUS ④ M(MAR)?MDR ⑤ MDR?IR ⑥ OP(IR)?ID CPU已知道什么操作 第二个CPU周期，执行指令阶段 CPU完成一件事： 执行累加器清零操作。 CPU做2个动作： 微操作信号发生器送一控制信号(C)给算术逻辑单元A