(新)第5章 中央处理器.ppt

北京林业大学 软件教研室 湖南工程学院精品课程 计算机组成原理 主讲教师：陈华光 第5章 中央处理器 第5章 中央处理器 5-1 CPU基本组成和功能 5-2 指令周期与时序信号产生器 5-3 微程序设计技术和控制器 5-4 组合逻辑控制器与门阵列控制器 5-5 CPU中的流水线结构 5-6 CPU结构举例 5-7 多处理机系统 5.1.1 CPU的功能 具有如下四方面的基本功能： (1)指令控制 程序的顺序控制称为指令控制。由于程序是一个指令序列，指令必须严格按程序规定的顺序进行，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。 (2)操作控制 一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。 (3)时间控制 对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。 (4)数据加工 数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，是CPU的根本任务。因为，原始信息只有经过加工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，早期放在CPU芯片外部的一些逻辑功能部件，如浮点运算器、Cache等纷纷移入CPU内部，因而使CPU的内部组成越来越复杂。这样CPU的基本组成部分变成了运算器、cache 和控制器三大部分。 本章以CPU执行指令来组织教学内容。图1是CPU主要组成部分的逻辑结构图。通过它读者建立计算机的整机观念。 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，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。控制器的主要任务有： （1）取指 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。 （2）译码 对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。如一次内存读／写操作，一个算术逻辑运算操作，或一个输入／输出操作。 （3）数据流控制 指挥并控制CPU、内存和输入／输出设备之间数据流动的方向。 5.1.3 CPU中的主要寄存器 在CPU中至少要有六类寄存器，指令寄存器（IR）；程序计数器（PC）；地址寄存器（AR）；缓冲寄存器（DR）；累加寄存器（AC）；状态条件寄存器（PSW）。 1．数据缓冲寄冲器（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，当向内存存储一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据缓冲寄存器中。缓冲寄存器的作用是：以补偿CPU和内存、外设之间操作速度上的差别。 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的代码。指令译码器对指令寄存器中的操作码字段译码后，即可向操作控制器发出具体操作的信号。 3．程序计数器（PC） 程序计数器总是指向将要执行的下一条指令的内存地址。程序计数器的结构应当具有寄存信息和计数两种功能的结构。 4．地址寄存器（AR） AR用来保存CPU当前所访问的内存单元的地址。由于在CPU和内存之间存在着操作速度上的差异，用AR来保持内存的地址，到内存存取操作完成为止。 5．累加寄存器（AC） 累加寄存器(AC)通常简称为累加器。当ALU执行算术运算或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，可以为ALU暂时存放一个操作数或运算结果。 6．状态条件寄存器（PSW） 状态条件寄存器用来保存ALU执行的状态信息，如运算结果进位标志（C）,运算结果溢出标志（V）,运算结果为零标志（Z）,运算结果为负标志（N）等。 问题？ 1. 用于主存接口的寄存器有哪些？ 2. 用于控制的寄存器有哪些？ 5.1.4 操作控制器与时序产生器 CPU中负责在各寄存器之间建立数据通路并控制信息在各寄存器之间传送的部件称为操作控制器 。 操作控制器的功能就是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，从而完成信息的传送。