计算机组成原理 第5章 中央处理器.ppt

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1、计算机组成原理,第5章 中央处理器,5.1 CPU的功能和组成,的功能1指令控制程序的顺序控制称为指令控制。程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行。因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。2操作控制一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送并相应的部件从而控制这些部件接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定时称为时间控制，因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有

2、条不紊地自动工作。4数据加工所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理、完成数据的加工处理，是CPU的根本任务、因为，原始信息只有经过加工处理后才能对人们有用。,5.1 CPU的功能和组成,的基本组成,5.1 CPU的功能和组成,的基本组成1控制器由程序计数器、指令寄存器、指令泽码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作、控制器的主要功能有：1）从内存中取出一条指令，并指出了一条指令在内存中的位置。2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作如一次内存读写操作，一个算术逻辑运算操作，或一个输入输出操作3）

3、指挥共控制 CPU、内存和输入输出设备之间数相流动的方向。,5.1 CPU的功能和组成,的基本组成2运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全都操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。运算器有两个主要功能：1）执行所有的算术运算2）执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。通常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判决。,5.1 CPU的功能和组成,中的主要寄存器1.数据缓冲寄存器（DR）数据缓冲寄存器用来暂时存

4、放由内存储器读出/写入的一条指令或一个数据字l）作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站；2）补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别；3）在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器2.指令寄存器（IR）指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。3程序计数器（PC）确定下一条指令的地址通常又称为指令计数器。,5.1 CPU的功能和组成,中的主要寄存器4.地址寄存器（AR）地址寄存器用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。5.通用寄存器当运算器的算术逻辑单元（ALU）执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区6.状态条件寄存器（PSW）状态条件寄存器保存由算

5、术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，保存中断和系统工作状态等信息。状态条件寄存器是一个由各种状态条件标志拼凑而成的寄存器。,5.1 CPU的功能和组成,操作控制器与时序产生器数据通路寄存器之间传送信息的通路操作控制器根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以使正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑型三种。硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的时序产生器就是对各种操作实施时间上的控制。,5.2 指令周期,指令周期的基本概念指令周期是取出并执行一条指令的时间。指

6、令同期常常用若干个CPU周期来表示，CPU周期也称为机器周期。一个CPU周期时间又包含有若干个时钟同期,5.2 指令周期,五条典型指令组成的程序,5.2 指令周期,不访存指令的指令周期（CLA）,5.2 指令周期,不访存指令的指令周期（CLA）1取指周期1）程序计数器PC的内容20（八进制）被装入地址寄存器AR；2）程序计数器内容加1,变成21，为取下一条指令做好准备；3）AR的内容被放到地址总线上；4）所选存储器单元20的内容经过数据总线，传送到数据缓冲寄存器DR5）DR的内容传送到指令寄存器IR；6）IR中的操作码被译码；7）CPU识别出是指令CLA,5.2 指令周期,不访存指令的指令周期

7、（CLA）2CLA执行周期1）操作控制器送一控制信号给算术逻辑运算单元ALU；2）ALU响应该控制信号，将累加寄存器AC的内容全部清零，从而执行了CLA。,5.2 指令周期,访存一次的指令（ADD）,5.2 指令周期,访存一次的指令（ADD）1送操作数地址第二个 CPU周期主要完成送操作数地址。在此阶段，CPU动作只有一个，就是把指令寄存器中地址码部分（30）装入地址寄存器，其中30为内存中存放操作数的地址。,5.2 指令周期,访存一次的指令（ADD）2取操作数并执行加法1）把地址寄存器中的操作数的地址（30）发送到地址总线上。2）由存储器单元30中读出操作数（6），并经过数据总线传送到缓冲寄

8、存器。3）执行加操作：由数据缓冲寄存器来的操作数（6）可送往ALU的一个输入端，等候在累加器内的另一个操作数（因为CLA指令执行结束后累加器内容为零）送往ALU的另一个输入端，产生运算结果6并送回累加器，替换了原有的0。,5.2 指令周期,访存一次的指令（STA）,5.2 指令周期,访存一次的指令（STA）存储和数CPU内数据流向图示1）累加器内容6传送至数据缓冲寄存器DR2）AR内容发送至地址总线，40单元是要写入写入数据的单元。3）DR内容发送到数据总线4）数据总线内容写入存储器。,5.2 指令周期,程序控制指令（NOP和JMP）执行的动作就是将指令中指定的地址21写入PC寄存器，执行下一条指令时CPU将从21地址取指令。,5.2 指令周期,用方框流图表示指令周期,