组成与体系结构(7)..ppt

第五章 中央处理器 CPU的构成：运算器+控制器 控制器：计算机的指挥中心，控制所有部件协调一致地工作以完成信息处理的任务。 因为控制器实施控制的对象是整个计算机系统的所有硬件，故其内容的学习对使用和设计计算机的人至关重要。 重点： 1、控制器的设计方法——硬布线设计法和微程序设计法。 2、有关时序的概念。 5.1 CPU的功能和组成5.1.1 CPU的功能 一、指令控制 计算机的工作过程实际是一个取指令——执行指令的循环； 上电→产生复位信号→执行程序→停机→下电。 ∴控制器的首要任务应该是保证指令流正常运转，即保证按程序中规定的指令顺序完成指令的执行。 二、操作控制 在保证指令控制的前提下把控制器的任务细化到一条指令内部——任一指令的功能往往由若干个微操作来实现，例： ADD M （（M）+（AC）→AC）的微操作。 ∴控制器除了指令控制外，还要针对每一条指令给出相应硬件完成各个微操作所需要的微操作控制信号。 三、时间（时序）控制 在操作控制的同时，即考虑空间因素（微操作对应哪个硬件）的同时，还要明确每个微操作占多少时间、各个操作之间的先后次序如何……即考虑时间因素。 ∴控制器在指令控制和操作控制的同时，还要负责为每个操作带上时间长度及顺序的信号即时序信号。 四、数据加工 以上三项功能都是指CPU中控制器的功能，而数据加工处理是中CPU运算器的功能。 5.1.2 CPU的基本组成 见教材P.154 图5.1： 一、分割运算器与控制器 二、MAR与MDR的重要作用 三、程序在其中的执行过程 5.1.3 CPU中的主要寄存器 控制器5.1.4 操作控制器与时序产生器 的组成 控制器为完成上述指令控制、操作控制和时序控制的功能，需设置以下主要部件： 一、程序计数器PC（Program Counter） 存放待执行指令在存储器中的地址，又叫指令地址寄存器。 任何程序执行前，需将程序首地址置入PC中。一般PC内容顺序增1；遇转移类指令，将目标地址置入PC即可。 二、指令寄存器IR（Instruction Register） 用来存放从存储器中取出的待执行指令。 实际是存储器→MDR→IR。 三、指令译码器ID（Instruction Decoder） 对指令的操作码即IR（OP）进行译码，识别出当前指令的操作性质，结果送到操作控制部件。 四、时序部件 用来产生计算机工作过程中需要的各种时序信号，送给操作控制部件。 常由系统主时钟、节拍信号发生器和启停逻辑等部件组成。 五、操作控制部件——微操作控制信号的产生部件 任何指令的执行过程都是一个微操作序列产生的过程；操作控制部件就是用来产生与各条指令对应的微操作控制信号。 所谓“控制器的设计”主要就是针对该部件而言。具体地说控制器的设计有三种方法（也叫控制器的三种构成方式）： （1）组合逻辑的设计方法，又叫硬布线方法、常规的控制器设计方法； （2）存储逻辑的设计方法，又叫微程序设计方法； （3）可编程逻辑阵列设计方法即PLA设计方法。 六、中断系统 中断系统是软硬件的综合系统，用来处理计算机中出现的一些不可预知的事件。 中断系统在逻辑（功能）上属于控制器的一部分。 七、操作控制台（Console） 任何计算机系统中人-机联系的桥梁：启停、人工干预、测试…… 微机的控制台。 大型机的控制台结构很复杂，其质量如何在很大程度上影响系统功能的发挥和应用的方便程度。 控制台在逻辑（功能）上属于控制器的一部分，在硬件上它不可能集成化。 综上所述，给出一个较完整的控制器组成的结构框图。请注意其中操作控制部件的输入与输出。 5.2 指令周期 主要内容： （1）了解与指令执行有关的几个时间概念——指令周期、机器周期（CPU周期）、时钟周期（节拍）； （2）通过五条典型指令的执行过程来认识指令功能是怎样经由一系列的微操作来完成的； （3）学会用流程图表示一条指令的微操作构成。 5.2.1 指令周期的基本概念 一、指令周期 一条指令从主存储器中取出来到执行完毕所需要的时间，常将其分成两个阶段——取指令、分析和执行指令。 二、机器周期（CPU周期） 一个指令周期由若干个机器周期构成。不同指令周期中机器周期的种类和数量可能不同。 每条指令的第一个机器周期都是取指令周期，然后有一个或几个执行周期。 常定义机器周期的长度为主存的存取周期Tm。 三、节拍（时钟周期、T状态） 是计算机操作的最小时间单位。 一个机器周期由几个节拍构成。具体个数可以是固定的——定长机器周期，也可以是变化的——变长机器周期。甚至一个机器周期内的节拍长度可以都相等也可以长度不等。 5.2.2~5.2.5（P.158~164）五条典型指令的执行过程