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第6章中央处理器CPU的功能及组成指令的执行过程时序部件微操作控制器流水CPU多媒体CPUCPU结构举例6-1CPU的功能及组成CPU的功能CPU的组成CPU中的主要寄存器操作控制器6-1-1CPU的功能指令控制操作控制时序控制数据加工6-1-2CPU的组成控制器运算器6-1-2CPU的组成1.控制器控制器的主要任务有以下3个方面：取指译码数据流控制2.运算器运算器由算术逻辑部件、累加器、数据缓冲寄存器、寄存器组和状态寄存器组成，它是数据加工处理部件。6-1-3CPU中的主要寄存器寄存器用来保存运算和控制过程中的中间结果、最后结果、控制信息和状态信息。各种CPU的寄存器可能有所差异，但都应具有以下6种寄存器：数据缓冲寄存器（DR）指令寄存器（IR）程序计数器（PC）地址寄存器（AR）累加寄存器（AC）状态寄存器（PSW）6-1-4操作控制器操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑型与存储逻辑结合型3种。第一种称为硬布线控制器（也称为组合逻辑控制器），它是采用时序逻辑技术来实现的；第二种称为微程序控制器，它是采用存储逻辑实现的；第三种是可编程逻辑阵列，采用前两种方式的结合。操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑型与存储逻辑结合型3种。6-2指令的执行过程指令周期不需访问主存指令的指令周期直接访问主存指令的指令周期间接访问主存指令的指令周期程序控制指令的指令周期指令周期流程图6-2-1指令周期CPU每进行一种操作，都要有时间的开销，即CPU取指、译码、执行，需要一定的时间，这一系列操作的时间称为指令周期。指令周期常常用机器周期数来表示，机器周期又称CPU周期。一个机器周期又包含若干个时钟周期。时钟周期是处理操作的最小时间单位，它通常被称为节拍或T周期。6-2-1指令周期6-2-1指令周期6-2-2不需访问主存指令的指令周期6-2-2不需访问主存指令的指令周期取指译码阶段指令执行阶段1.取指译码阶段2.指令执行阶段6-2-3直接访问主存指令的指令周期6-2-3直接访问主存指令的指令周期送操作数地址取操作数和指令执行1．送操作数地址2．取操作数和指令执行6-2-4间接访问主存指令的指令周期6-2-4间接访问主存指令的指令周期送地址指针取操作数地址存储结果2．取操作数地址6-2-5程序控制指令的指令周期6-2-6指令周期流程图6-2-6指令周期流程图图中“～”符号，我们称它为公操作符号。这个符号表示一条指令已经执行完毕，转入公操作。6-3时序部件节拍电位与节拍脉冲脉冲源节拍信号发生器6-3-1节拍电位与节拍脉冲6-3-2脉冲源脉冲源即主时钟，通常由石英晶体振荡器构成。脉冲源在机器上电后立即开始产生具有一定占空比的脉冲序列，直到关电源为止，不允许有任何的间断。它相当于人的脉搏。6-3-3节拍信号发生器6-4微操作控制器微程序控制器硬布线控制器6-4-1微程序控制器微命令和微操作微指令和微程序微程序控制器原理微程序举例机器指令与微指令的关系微指令格式1．微命令和微操作控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做微命令。而执行部件接受微命令后所进行的操作，叫做微操作。2.微指令和微程序微指令：在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。微程序：微指令格式中的顺序控制部分用来决定产生下一条微指令的地址。一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列通常叫做微程序。3.微程序控制器原理控制存储器微指令寄存器地址转移逻辑3.微程序控制器原理6.微指令格式水平型微指令垂直型微指令水平型微指令与垂直型微指令的比较6-4-2硬布线控制器基本思想指令执行流程微操作控制信号的产生1.基本思想2.指令执行流程3.微操作控制信号的产生在微程序控制器中，微操作控制信号由微指令产生，并且可以重复使用。在硬布线控制器中，某一微操作控制信号由布尔代数表达式描述的输出函数产生。设计微操作控制信号的方法和过程是，根据所有机器指令流程图，寻找出产生同一个微操作信号的所有条件，并与适当的节拍电位和节拍脉冲组合，从而写出其布尔代数表达式并进行简化，然后用门电路或可编程器件来实现。6-5流水CPU基本概念流水线分类6-5-1基本概念6-5-2流水线分类指令流水线算术流