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1、计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 第5章 中央处理器（CPU） Central Processing Unit 5.1 CPU的功能和基本结构 5.2 数据通路的功能和基本结构 5.3 指令执行过程 5.4 控制器的功能和工作原理 5.5 指令流水线 Date1 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU ）是计算机的核心部件，主要负责程序的执行和各 种数据处理。 本章从分析CPU的功能结构入手，详细介绍CPU
2、的 构成和指令的执行过程，对两种常见的控制器工作 原理进行了阐述。此外还介绍了为提高指令执行速 度而采取的流水线技术 。 Date2 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 本章主要论述CPU组成原理 通过本章学习: 掌握在计算机运行过程中各个硬件部件的作用； CPU中各个部件的操作过程及其实现方法原理。 本章将重点讲述： 程序是如何执行的； 计算机怎样实现各条指令的功能； 如何保证逐条指令的连续执行过程。 Date3 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.1 CPU的功能和基
3、本结构 5.1.1 CPU的功能 对冯诺依曼结构计算机，计算机对信息进行处理( 或计算)是通过程序执行而实现的。 程序是完成某个确定算法的指令序列，要预先存放 在存储器中。 将程序写入存储器后，便可由计算机自动完成指令 的执行，控制器的主要任务就是完成此项工作的， 它负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序 列，并对数据进行加工，其基本功能是取指令、分 析指令和执行指令 。 Date4 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.1 CPU的功能和基本结构 5.1.1 CPU的功能 1取指令：当程序已在存储器中时，首先根据程序入口取 出
4、第一条指令，为此要发出指令地址及控制信号。然后不 断取出第2，3，条指令 2分析指令：对当前取得的指令进行分析，指出它要求作 什么操作，产生相应操作控制命令，若参与操作数据在存 储器中，还需形成操作数地址 3执行指令：根据分析指令时产生的“操作命令”和“操作 数地址”形成相应操作控制信号序列，通过CPU及输入输出 设备的执行，实现每条指令功能，还包括对运算结果的处 理及下条指令地址形成 计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作：取指、分析 、执行；再取指、再分析、再执行，如此循环，直到 遇到停机指令或外来的干预为止 Date5 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央
5、处理器(CPU)(CPU) 5.1 CPU的功能和基本结构 5.1.1 CPU的功能 此外，程序和数据要输入机器，运算结果要输出，机器运 行过程中出现的某些异常情况或请求要进行处理，人与机 器之间要进行对话，控制器还应具有以下功能： 4控制程序和数据的输入与结果输出：根据程序安排或人 的干预，在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命 令来完成I/O功能 5对异常情况和某些请求的处理：当机器出现某些异常情 况，发出：（1） “中断请求”信号。CPU执行完当前指令后 ，响应该请求，中止当前执行的程序，转去执行中断程序 。处理完毕后，再返回原程序继续运行。（2） DMA请求 信号。等CPU完成当前
6、机器周期操作后，暂停工作，让出 总线给I/O设备，在完成I/O设备与存储器之间的传送数据操 作后，CPU从暂时中止的机器周期开始继续执行指令 Date6 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.1 CPU的功能和基本结构 5.1.1 CPU的功能 总之，CPU必须具有控制程序的顺序执行（称指令 控制）、产生完成每条指令所需的控制命令（称操 作控制）、对各种操作加以时间上的控制（称时间 控制）、对数据进行算术运算和逻辑运算（数据加 工）以及处理中断等功能 Date7 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处
7、理器(CPU)(CPU) 5.1 CPU的功能和基本结构 5.1.2 CPU的基本结构 根据CPU的功能，要取指令，必须有存储器用于存放当前 指令地址；要分析指令，必须有存放当前指令的寄存器和 对指令进行译码的部件；要执行指令，必须有一个能发出 各种操作命令序列的控制部件CU；要完成算术运算和逻辑 运算，必须有存放操作数的寄存器和实现运算功能的部件 ALU；为了处理异常情况和特殊请求，还必须有中断系统 。 因此，CPU一般可由寄存器、控制部件、ALU和中断系统 四部分组成，如图5-1所示 有关ALU的内容第2章已经介绍了，控制部件CU是CPU最 复杂的部分，后面将重点介绍 Date8 计算机组
8、成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.1 CPU的功能和基本结构 5.1.2 CPU的基本结构 寄存器 中断 系统 ALU CPU CU 图5-1 CPU的基本结构 数据总线 控制总线 地址总线 Date9 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.1 CPU的功能和基本结构 16位微处理器 8086功能结构图 Date10 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.1 CPU的功能和基本结构 32位微处理器 Pentium功
9、能 结构图 Date11 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.2 数据通路的功能和基本结构 5.2.1 数据通路的功能 数据通路是CPU中算术逻辑单元（ALU）、控制单 元（CU）以及寄存器之间的连接线路。 CPU取回指令并进行指令译码之后，就会根据操作 码来进行指定的操作，比如取数据-运算-符号判 断-存储等过程，通过数据通路可看出数据在被处 理的过程中依次经过各种器件的次序和方向。 不同计算机的数据通路差别很大，只有明确了机器 的数据通路，才能确定相应的微操作控制信号 Date12 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5
10、5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.2 数据通路的功能和基本结构 5.2.2 数据通路的基本结构 图5-2为CPU数据通路的基本结构。图中主要包括 运算器、控制器和寄存器等主要部件和CPU片内总 线、计算机内部总线。在第2章中已经介绍了运算 器的功能结构，这里介绍寄存器、控制器和总线 。 Date13 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.2 数据通路的功能和基本结构 5.2.2 数据通路的基本结构 Date14 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.
11、2 数据通路的功能和基本结构 5.2.2 数据通路的基本结构 1. 寄存器： CPU中的寄存器用来暂时保存运算和控制过程中的 中间结果、最终结果以及控制、状态信息。寄存器 的功能十分重要，CPU对存储器中的数据进行处理 时，往往先把数据取到内部寄存器中，而后再作处 理。它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。 通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的 还可作为变址寄存器、地址指针等。比如8086CPU 包含4个16位通用寄存器：AX、BX、CX和DX和4 个16位指针寄存器堆栈指针SP、基址指针BP、源 变址寄存器SI和目的变址寄存器DI Date15 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第
12、 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.2 数据通路的功能和基本结构 5.2.2 数据通路的基本结构 专用寄存器是专门用来完成某一种特殊功能的寄存器： （1）程序计数器（PC）：存放正在执行的指令地址或接着 要执行的下一条指令地址，既可能通过程序计数器加1形成 下一条指令地址，也可能由转移类指令形成转移地址送到 程序计数器，作为下一条指令地址。 （2）指令寄存器（IR）：存放从存储器中取出的指令，以 便在指令执行过程中，控制完成一条指令的全部功能。 （3）数据寄存器（DR）：暂时存放由主存读出的指令或数 据字，当向主存写入指令或数据字时，也暂时存放在存储 器数据寄存器。
13、Date16 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.2 数据通路的功能和基本结构 5.2.2 数据通路的基本结构 专用寄存器是专门用来完成某一种特殊功能的寄存器： （4）地址寄存器（AR）：保存当前CPU所访问的主存单 元的地址。由于主存和CPU之间存在着操作速度上的差别 ，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到主存的 读写操作完成为止 （5）程序状态寄存器（PSR）：存放程序状态字，用于反 映CPU内部状态及控制CPU某些部件的行为而设置的。如 ALU的运算结果是否为零，可由状态标志寄存器中的标志 位表示。这些状态的保存和使用
14、为后续指令提供了方便， 是参与控制程序的重要依据之一。后续指令可以在判断上 条指令运算状态的基础上实现程序的转移等操作。 Date17 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.2 数据通路的功能和基本结构 5.2.2 数据通路的基本结构 2. 控制器： 控制器中除包含程序计数器、指令寄存器外，还包括： （1）指令译码器：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。 （2）脉冲源及启停线路：形成有一定时序关系的操作控制信 号序列。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，机器刚加
15、 电时，还应产生一个复位信号(reset)。启停线路保证可靠地 送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号发生或停止，从而启 动机器工作或使之停机。 （3）时序控制信号形成部件：当机器启动后，在CLK时钟作 用下，根据当前正在执行的指令需要，产生相应时序控制 信号，并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号 。 Date18 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 5.2 数据通路的功能和基本结构 5.2.2 数据通路的基本结构 3. 总线： CPU内部各部件通过片内总线进行信息交换。 CPU和计算机内的其他部件，如存储器、IO设备， 通过计算机内部总线连接。 内部总线包括数据总线、地址总线和控制总线。 一般数据总线可以双向传输数据，地址总线是单向 的，一般由“主设备”送出地址，“从设备”接收地址 ，比如CPU送出地址（指令地址或数据地址），存 储器接收地址，IO设备有可能发送地址，也可能接 收地址 。 Date19 计算机组成与结构计算机组成与结构 第第 5 5 章章 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 图5-2 CPU数据通路的基本结构 Date20 计算机组
