计算机组成原理第6章.pptx

第6章中央处理器;

6.1处理器概述;

6.1.1CPU功能

CPU在计算机中的基本功能可以归纳为以下5个方面。

1.指令控制

指令控制是指CPU按顺序执行程序中的指令。程序的功能不同,所包含的指令序列就不同,程序执行时必须严格按照程序规定的顺序执行,才能保证计算机工作的正确性。

2.操作控制

一条指令的执行需要多个部件相互配合才能完成指令的功能,对每个部件的具体操作是由操作信号控制的,而操作信号是控制器根据这条指令的功能自动产生的。;

3.时序控制

每一条指令在执行的过程中,必须在规定的时间给出各部件所需操作控制的信号,才能保证指令功能的正确执行。因此,时序控制就是定时地给出各种操作信号,使计算机系统有条不紊地执行程序。

4.数据加工

数据加工是指对数据进行算术运算、逻辑运算或其他处理。;

5.中断控制

CPU除了执行程序外,还需要具备对突发事件的处理能力。例如,运算器出现了结果溢出、某个部件出现了异常情况、设备需要实时的数据服务等,这就需要CPU中断正在处

理的程序,并对这些突发事件进行响应,以保证计算机的正常运转,这个能力称为中断处理能力。

总体来说,一条指令的执行过程就是在控制器的控制下,先从内存中取出指令,然后对指令进行译码,在时序发生器和控制器的控制下,在正确的时间发出指定部件的控制信号,保证各部件能够执行正确的动作,从而保证该指令功能的实现。;

6.1.2CPU的内部结构

CPU的体系结构有很多种,传统的CPU包括控制器和运算器两部分,实际的CPU内部还包含一定数量的各种功能寄存器,以及为了实现中断控制功能的中断系统。

图6－1是采用系统总线(单总线系统)的计算机结构。图中,CPU由寄存器、ALU、控制器和中断系统组成。;;

1.运算器

运算器是计算机中实现数据加工的部件,主要完成数

据的算术和逻辑运算,运算器主要包括算术逻辑单元(ALU)、数据寄存器、程序状态字PSW等。图6－2所示是一种常见的运算器内部结构。;;

PSW寄???器的每一位都是一个状态标志位,用来记录

程序的运行状态和工作方式。例如,SF表示ALU结果的符

号位,ZF表示结果是否为零,CF表示是否产生了运算进位,PF为奇偶标志位,OF表示溢出位等,除此之外PSW中还有一些其他标志位。8086CPU的PSW如图6－3所示。;;

2.寄存器

寄存器是CPU内部暂存各种信息和数据的部件,按照用户是否可以操作分为可见寄存器和隐含寄存器。可见寄存器,用户可以通过指令对其进行存取操作,隐含寄存器对用户是不可用的,是专供控制器使用的。

1)可见寄存器

可见寄存器通常是一组寄存器,这些寄存器可以通过程序进行访问。由于这些寄存器在编程的过程中可以暂存操作数和运算结果,也可以作为基地址寄存器、变址寄存器、计

数器等,通用性较强,因此又称为通用寄存器。;

2)隐含寄存器

隐含寄存器是一组特殊的寄存器,这些寄存器中的指令在执行过程中由硬件自动控制。大多数机器都包括程序计数器PC、指令寄存器IR、程序状态字PSW、存储器地址寄

存器MAR、存储器数据寄存器MDR等。

(1)程序计数器PC:它也称为指令指针,用来指示将要执行的下一条指令在内存中的地址。

(2)指令寄存器IR:用来存放当前正在执行的指令代码。;

(3)程序状态字PSW:用来记录现行程序的运行状态和当前的工作方式。

(4)存储器地址寄存器MAR:当CPU访问存储器时,首先要提供访问存储单元的地址,这个地址存放在MAR中,MAR是CPU与系统地址总线相联的寄存器。

(5)存储器数据寄存器MDR:用来存放CPU与主存交换的数据,这个寄存器是CPU与系统数据总线相连的寄存器。;

3.控制器

控制器是CPU的重要组成部分,它是整个计算机的控制核心。控制器的功能就是能够按照程序预定的顺序执行每一条指令。每一条指令都是在控制器的控制下按照取指令、分析指令和执行指令的步骤依次完成的,这就需要控制器必须在正确的时间准确地产生各部件的控制信号,使整个计算机能够有条不紊的完成所有指令的功能。控制器的功能就是

完成按照每一条指令要求,把数据从源端部件准确地传输到目的端部件。;

控制器应当具有PC、IR、指令译码器、节拍发生器、微操作信号发生器等模块,如图6－4所示。

图6－4中节拍发生器产生的T0~Tn信号是计算