第6章中央处理器案例.ppt

第 六 章 中 央 处 理 器 6.1 中央处理器的功能和组成 6.2 指令的执行过程 6.3 时序与控制 6.4 微操作控制部件 6.5 中断系统 6.6 CPU中的流水结构* 6.7 CPU结构举例 6.1.1 中央处理器的功能 中央处理器简称CPU，它具有如下4方面的功能： (1)程序的顺序控制。 (2)操作控制：产生取出并执行指令的微操作信号，并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控制。 (4)数据加工： 对数据进行算术运算和逻辑运算处理。 6.1.2 中央处理器的组成 中央处理器由控制器、运算器和总线组成。 (1)控制器 控制器是全机的指挥中心，其基本功能就是执行指令。 控制器由程序计数器PC、指令寄存器m、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、指令译码器、时序系统和微操作信号发生器组成。主要完成以下三个方面的功能：指令控制功能、时序控制功能、操作控制功能。 ①程序计数器PC 用以指出下条指令在主存中的存放地址，CPU根据PC的内容去主存取得指令。因程序中指令是顺序执行的，所以PC有自增功能。 ②指令寄存器(m)：用来保存当前正在执行的一条指令的代码。 ③地址寄存器(AR)：用来存放当前CPU访问内存单元的地址。 ④数据寄存器(DR)：用来暂存由内存储器中读出或写入内存的指令或数据。 ⑤指令译码器：分别对操作码字段、寻址方式字段、地址码字段进行译码，向控制器提供操作的特定信号。 ⑥时序部件：用来产生各种时序信号，时序信号可分为CPU周期信号、节拍周期信号和节拍脉冲信号，它们都是由统一时钟CLOCK分频得到的。 ⑦微操作形成部件：根据IR的内容(指令)、PSW的内容(状态信息)以及时序线路3方面的内容，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号。其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。 ⑧中断系统： ⑨操作控制台 ： (2)运算器 运算器由算术逻辑单元(ALU)、通用寄存器、程序状态字寄存器、数据暂存器、移位器等组成。它接收从控制器送来的命令并执行响应的动作，负责对数据的加工和处理。各组成部件的作用是： ①算术逻辑单元(ALU)：用以进行双操作数的算术逻辑运算。 ②通用寄存器组：用来存放操作数(包括源操作数、目的操作数及中间结果)和各种地址信息等。 ③暂存器： 用来暂存从主存储器读出的数据，这个数据是不能存放在通用寄存器中的，否则会破坏其原有的内容。 ④程序状态字寄存器(PSW)：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果建立的各种状态信息。 ⑤移位器：在ALU输出端设暂存器用来存放运算结果，它具有对运算结果进行移位运算的功能。 (3)总线与数据通路结构 ①内部总线：CPU内部连接各寄存器的总线。 ②系统总线：系统总线是CPU与主存储器MM、外部设备接口相联的总线，它包括地址总线、数据总线和控制总线。 CPU向地址总线提供访问主存单元或I/O接口的地址。 CPU向数据总线发送或接收数据，以完成与主存单元或I/O接口之间的数据传送；主存M和I/O设备之间也可以通过数据总线传送数据。 CPU通过控制总线向主存或I/O设备发出有关控制信号，或接收控制信号；I/O设备也可以向控制总线发出控制信号。 6.2 指令的执行过程 6.2 .1 指令执行的周期 (1)取指周期： 取指周期要解决两个问题：一是CPU到哪个存储单元去取指令，二是如何形成后继指令地址。 指令地址由PC给出，取出指令后PC内容递增；当出现转移情况时，指令地址在执行周期被修改。 (2)取操作数周期： 取操作数周期要解决的问题是，计算操作数地址并取出操作数。 操作数有效地址的形成由寻址方式确定。寻址方式不同，有效地址获得的方式、过程不同，提供操作数的途径也不同。因此，取操作数周期所进行的操作对不同的寻址方式是不相同的。 (3)执行周期：执行周期的主要任务是完成由指令操作码规定的动作，包括传送结果及记录状态信息。操作结果送到什么地方由寻址方式确定；状态信息，主要是条件码，记录在PSW中。若程序出现转移时，则在执行周期内还要决定转移地址。因此，执行周期的操作对不同指令也不相同。 (4)指令周期：将一条指令从取出到执行完成所需要的时间称为指令周期。 (5)指令周期与机器周期和时钟周期的关系 指令周期是完成一条指令所需的时间，包括取指令、分析指令和执行指令所需的全部时间。指令周期划分为几个不同的阶段，每个阶段所需的时间，称为机器周期，又称为CPU工作周期或基本周期，通常等于取指时间(或访存时间)。时钟周期是时钟频率的倒数，也可称为节拍脉冲或T周期，是处理操作的最基本单位。