5中央处理单元CPU.ppt

第5章 中央处理器(8学时) 5.1 CPU?的功能和基本结构 中央处理器简称CPU，是计算机系统的核心。 主要功能：程序的执行(指令控制)， 数据处理，操作控制，时间控制，异常处理。 组成：运算器，控制器，寄存器，时钟电路，(某些CPU中还包括一定容量的ROM、RAM存储器等)。 5.1.1 CPU 的功能 控制器的功能 能够正确并且自动地连续执行指令 按程序中设定的指令次序执行 正确地分步完成每一条指令规定的功能 读取指令 → 分析指令 → 执行指令 进一步讲，就是向计算机各功能部件提供协调运行每一个步骤所需要的控制信号 控制器的功能 冯. 诺依曼结构的计算机 “存储程序”计算机，设置内存，存放程序和数据 在程序运行之前将程序调入内存，然后执行程序 计算机的功能是执行程序 程序是依次排列起来的指令序列 计算机执行程序的基本过程 从程序首地址开始执行第一条指令 分步执行每一条指令，并形成下一条待执行指令地址 自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令 （3）主存接口寄存器 是CPU与主存储器进行数据交换使用的寄存器，主要包括主存地址寄存器MAR（或AR）和主存数据寄存器MDR（或DR）。 控制器组成和在整机中的地位 控制器的主要组成 ① 程序计数器 PC 存放指令地址，有增量 或 接收新值功能 ② 指令寄存器 IR 存放指令内容：操作码与操作数地址 ③ 指令译码器ID（或操作码译码器） 对指令寄存器中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号。 ④ 指令执行步骤标记线路 指明每条指令的执行步骤和相对次序关系。 ⑤ 控制信号产生线路 给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号。 ⑥ 脉冲源及启停线路 脉冲源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，在机器刚加电时，一般还应产生一个总清信号。（Reset）。 启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动机器工作或使之停机。 两种不同类型的控制器 5.2 指令周期 5.2.3 指令执行过程 假定某计算机系统中每个机器周期内包含4个节拍（T1～T4），取指令机器周期完成的公共操作可用流程图描述： 指令执行过程 指令系统中任何一条机器指令都有各自的指令操作流程图。 假定某模型机的指令系统中共有8条机器指令 假设该模型机中所有指令均采用直接寻址方式，均在两个机器周期内完成全部操作。第一个机器周期是取指令机器周期（M1），各条指令在M1周期内的操作相同，完成取指令和指令译码功能；第二个机器周期（M2）内的操作各不相同，分别完成各条指令的不同功能。 指令操作流程图如图所示。 模型机的指令操作流程图 5.2.4 指令执行过程举例 一条加法指令的执行过程举例 ③ 到存储器取数。 控制器发出控制信号： 5.3 微程序控制器原理 微操作：在计算机中，一条机器指令的功能是通过按一定次序执行一系列基本操作完成的，这些最基本的控制命令称为微操作。是计算机中最简单（不能再分解）的操作，如打开某一个控制门、寄存器的清除脉冲等。 微指令：在微程序控制的计算机中，同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。组成微指令的微操作，又称微命令。 一条机器指令分成若干条微指令，按次序执行这些微指令，就可以实现指令的功能。 控制存储器：微程序事先存放在专用的存储器中。由于该存储器主要存放控制命令（信号）与下一条执行的微指令地址（简称为下址），所以被叫做控制存储器。 一般计算机指令系统是固定的，所以实现指令系统的微程序也是固定的，控制存储器可用只读存储器实现。 机器内控制信号数量多，再加上决定下址的地址码有一定宽度，所以控制存储器的字长比机器字长要长得多。 控制存储器的容量取决于实现指令系统所需要的微程序长度。 2.微程序控制的基本思想 5.3.2 微程序控制器组成原理 组成：IR、PC、PSW、时序系统等部件，控制存储器（CM） 、微地址形成电路、微地址寄存器（μAR）、微指令寄存器（μIR）及译码电路等。 5.3.3 控制信号举例 仍以执行一条加法指令为例，它由4条微指令解释执行，一条微指令中的所有控制信号都是同时发出的。每条微指令所需的控制信号如下。 （1）取指微指令 ① 指令地址送入地址总线：PC→AB ② 发访存控制命令：ADS(地址有效), ② 加法运算：“+” ③ 有效地址送地址寄存器：ALU→AR。 如何组织微指令产生上述信号？ 微指令最简单的组成形式是将每个控制信号