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1、第六 章 中央处理单元Center Processing Unit简称 CPU*1计算机组成原理计算机组成 计算机系统主要由计算机主机/各种I/O外设/系统软件 组成;计算机主机则主要由处理器/主存/总线与各种接 口组成;采用VLSI集成于一个电子芯片内的处理器叫做 微处理器;主机可有多个微处理器/运行系统软件;并行 处理计算机的CPU可由多个处理器组成。微 型 计 算 机 系 统微型 计算机输入输出 等各种 外部设备系统软件CPU :心脏,指令系统,算术逻辑运算 存储器 :ROM,RAM,EPROM,EEPROM I/O接口:总线,磁盘接口,键盘接口软盘驱动器:360KB,720KB,1.2
2、MB,1.44MB 硬盘驱动器:10MB,100MB,1GB,10GB. 显示器、键盘、鼠标、打印机 操作系统 DOS,Windows,UNIX 机器语言 二进制数,计算机直接识别 汇编语言 把汇编源程序译成目标程序 高级语言 解释BASIC,编译FortranDate2计算机组成原理 计算机进行信息处理的过程分为两个步骤，首先将 数据和程序输入计算机存储器中，然后从程序入口开始 执行该程序，得到所需要的结果后结束运行。程序入口 指的是该程序开始执行的第一条指令的地址，控制器的作 用是协调并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。 当机器刚加电时，为保证正常工作，在机器内一般设 置有存放固定程
3、序的只读存储器（ROM），利用加电时 硬件产生的一个复位（reset）信号使计算机处于初始状 态，并从上述固定程序入口开始运行；接着，先对计算机 各部件进行测试，然后进入操作系统环境，等候操作员从 键盘送入命令或用鼠标器对显示屏上的图标进行选择。综 上所述，计算机的工作过程可描述如下：加电、产生reset信号、执行程序、停机、停电。Date3计算机组成原理6.1 CPU内部的组成 中央处理器简称CPU，是计算机系统的核心。 主要功能：程序的执行（指令控制），信息的 处理（数据加工），操作控制，时间控制，I/O 设备的控制。 组成：运算器，寄存器，控制器，时钟电路， （某些CPU中还包括一定容量
4、的ROM、RAM存 储器）Date4计算机组成原理通用 寄存器组运算寄存器ALU标志寄存器执行 控制 电路指令队列 缓冲器IO 控制 电路4个 段寄存器 1个 IP寄存器 内部 寄存器外 围 总 线中央处理器的基本结构与组成Date5计算机组成原理CPU结构演示Date6计算机组成原理PC IR指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断ALU 寄存器中断系统CPU 与系统总线CU 时序电路寄存器ALU中断系统CUCPU控制总线数据总线地址总线Date7计算机组成原理CPU 的内部结构算术和 布尔逻辑取反移位状态标志内部 数据总线C P U寄存器CU中断 系统ALU控制信号8.18.1Date8计
5、算机组成原理6.1.1 运算器 运算器是加工处理数据的功能部件。 运算器主要由下列部件组成：算术逻辑单元（ALU） 完成二进制信息的定点算术运算，逻辑运算，移 位操作。通用寄存器GR和状态标志寄存器FR 存放数据，运算的中间、最后结果，各种状态标 志。有的CPU中包含浮点处理单元FALU 算术逻辑单元和通用寄存器的位数决定了CPU的字长 。Date9计算机组成原理运算器基本结构演示Date10计算机组成原理简单运算器数据通路演示Date11计算机组成原理6.1.2 寄存器组（Register） 寄存器R：是CPU中的重要组成部分，是CPU内 部的临时存储单元。 存放内容：数据、地址、控制信息、
6、CPU的工作 状态信息。 寄存器数量的增加可以提高CPU运行速度。 分类：数据寄存器、地址寄存器、标志状态寄存 器、控制寄存器和一些其它作用的寄存器。但总体 可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。Date12计算机组成原理1、通用寄存器组 在运算中存储数据与地址 累加寄存器 AX（Accumulator） 低位累加器 AL（Low word Accumulator） 变址寄存器 XR（Index Register） 基址寄存器 BR（Base Register） 标志寄存器 FR（Flag Register）以Intel 80486为例(32位机)，其通用寄存器有：EAX,EBX,ECX,EDX
7、,EBP,ESP,ESI,EDI(16位机器为AX,BX,CX,DX,BP,SP,SI,DI)CS，DS，ES，SS，FS，GS(早期16位机器只有前4个）Date13计算机组成原理4状态标志寄存器（Flag Register）用于存放ALU工作时产生的状态信息 V D I T S Z A P C15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0进位标志位奇偶标志位辅助进位位零标志位结果符号位 单步标志位中断允许位方向标志位 溢出标志位状态标志寄存器也叫标志寄存器。每一位单独使 用，称为标志位。它反映了ALU当前的工作状态或条 件转移指令的转移条件。具体常用如下：2、专
8、用寄存器 保存系统运行必需的重要数据Date14计算机组成原理指令寄存器IR（Instruction Register）用于存放将要执行的指令。 指令指针寄存器IP，又称指令计数器。用于产生和存放下条待取指令的地址。 堆栈指针寄存器SP指示堆栈栈顶的地址。 变址寄存器XR变址寻址中存放基础地址的寄存器，如SI、DI 段地址寄存器SR计算机内存大时多把内存存储空间分成段(例如 64KB)来管理，使用时以段为单位进行分配。段地址寄存 器即是在段式管理中用来存放段地址的寄存器。Date15计算机组成原理3、其他寄存器根据CPU结构特点而设置的专用寄存器。Intel 80486设有下列专用寄存器： 机
9、器状态字寄存器MSW 描述符寄存器保护方式下存储管理寻址。 测试寄存器用于存储管理。 控制寄存器 虚地址方式、实地址方式选择 调试寄存器用于程序调试。Date16计算机组成原理6.2 控制器的组成 一、控制器的组成控制器是指挥与控制整台计算机各功能部件协同 工作、自动执行计算机程序的部件。它把运算器和 存储器以及I/O设备组成一个有机的系统。控制器的作用是控制程序（即指令）的有序执行 。基本功能 ：取指令、分析解释指令、执行指令（ 包括控制程序和数据的输入输出、以及 对异常情况 和特殊请求的处理）。计算机不断重复上述三种基 本操作，直到遇到停机指令或外来的干预为止。组成：一般由指令指针寄存器I
10、P或程序计数器 PC、指令寄存器IR或指令队列、指令译码器ID、控 制逻辑电路（如启停电路）和脉冲源及时钟控制电 路等组成。Date17计算机组成原理Date18计算机组成原理控制单元的外特性指令寄存器控制单元CU时钟标志CPU 内部的控制信号到系统总线的控制信号来自系统总线的控制信号系统总线Date19计算机组成原理程序计数器PC工作过程演示Date20计算机组成原理指令寄存器IR工作过程演示Date21计算机组成原理控制逻辑电路（如启停电路）和脉冲源及时钟控制电路 工作过程演示Date22计算机组成原理微操作序列形成部件工作过程演示Date23计算机组成原理 控制器按执行命令的形成方法上可
11、划分为组合逻辑 控制器和微程序控制器两种形式。 组合逻辑（硬布线）控制器是主要是用一组不太规 整的组合逻辑电路组成。在制造完成后，其逻辑电路之间 的连接关系就固定下来，不易改动。其运行速度快，但其 构成复杂。 微程序控制器是以微程序形式事先存入一个控制存 储器中。每一步操作所需的若干微命令，是以代码形式构 成一条微命令。一条机器指令的执行可能需要分几步实现 ，相应地需要几条微指令以形成所需的微命令序列，这几 条微指令就构成一小段微程序。在制造 CPU时，根据整 个指令系统的需要，事先编制微程序，并将它们存入控制 存储器中。 Date24计算机组成原理二、指令执行过程举例 计算机进行信息处理的过
12、程分为两个步骤，首先将数据 和程序输入计算机中，然后从程序入口开始执行该程序， 得到所需的结果后，结束运行。 1）举例一条加法指令的执行过程：从存储器取指令，送入指令寄存器，并进行操作码译 码。程序计数器加1，为下一条指令作好准备。控制器发出的控制信号PC AB，WR=0， M/IO=1；DB IR；PC1。计算数据地址，将计算得到的有效地址送地址寄存器 AR。其中rs1表示通用寄存器地址、GR表示通用寄存器 、disp表示位移量。控制器发出的控制信号: rs1 GR，（rs1） ALU， disp ALU;“十”（加法命令送ALU）；ALU AR（有效 地址送地址寄存器）。Date25计算机
13、组成原理到存储器取数：控制器发出控制信号AR AB, W R=0，M/IO=1;DB DR。即将地址寄存器内容送地址 总线，同时发访存读命令，存储器读出数据送数据总线后 ，打入数据寄存器。 进行加法运算，结果送寄存器，并根据运算结果置状态 位N，Z，V，C。控制器送出的控制信号：rsGR,(rs)ALU，DR ALU（两个源操作数送ALU）；十（ALU进行加法运算） ; rd GR ; ALUrd。其中rs表示源操作数地址，rd表 示目的操作数地址，最后置状态标志位N、Z，V、C，运 算结果送目的寄存器。以上操作需要四个机器周期Date26计算机组成原理 指令功能根据N，Z，V，C的状态，决定
14、是否转换。如转移条件 成立则转移到本条指令所指定的地址，否则顺序执行下一条指令。 本条指令完成以下操作： 从存储器取指令，送入指令寄存器并进行操作码译码。程序计数器加1，如不转移，即为下一条要执行的指令地址。本 操作对所有指令都是相同的。 如转移条件成立，根据指令规定的寻址方式计算有效地址， 转移指令经常采用相对寻址方式。此时转移地址=PCdisp。此处 PC是指本条指令的地址，而在上一机器周期已执行PC+1操作，因 此计算时应取原PC值，或对运算进行适当修正。最后将转移地址送 入PC。 本条指令只需要两个机器同期，如转移条件成立，在第二机器 周期增加一个ALU PC信号；另外如为相对转移，则
15、用 PC ALU信号取代加法指令第2周期中的（rs1） ALU信号，其他信号 与加法指令的前两个机器周期中的信号相同。2）条件转移指令的执行过程Date27计算机组成原理指令执行过程演示指令1：CLA指令2：ADD 30指令3：STA 31指令4：JMP 21Date28计算机组成原理取指令、执行指令序列演示Date29计算机组成原理5条指令的取址和执行过程演示Date30计算机组成原理5条指令序列的表示演示Date31计算机组成原理6.3 微程序控制计算机的基本工作 原理在计算机中，一条指令的功能是通过按一定次序执行一系列基 本操作完成的，这些最基本的控制命令称为微操作。如开门/关门 命令、取指令、计算地址、取数、加法运算完成，每一步实现若干 个微操作。下面先介绍几个名词。微指令：在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号 所执行的一组微操作称为微指令。将一条指令分成若干条微指令， 按次序执行这些微指令，就可以实现指令的功能、组成微指令的微 操作，又称微命令。微程序：计算机每条指令的功能均由微指令序列解释完成，这 些微指令序列的集合就叫做微程序。Date32计算机组成原
