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1、计算机组成原理,第5章 中央处理器,5.1 CPU的组成和功能 5.8 流水CPU 5.2 指令周期 5.9 RISC CPU 5.3 时序产生器和控制方式 5.10 多媒体CPU 5.4 微程序控制器 5.11 CPU性能评价 5.5 微程序设计技术 5.6 硬布线控制器 5.7 传统CPU,5.1 CPU的功能和组成,当代主流计算机所遵循的仍然是冯.诺依曼的“存储程序、程序控制”思想程序告诉计算机：应该逐步执行什么操作；在什么地方找到用来操作的数据，结果存到何处等中央处理器是控制计算机自动完成取出指令和执行指令任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为CPU（Central Proces
2、sing Unit）,一、 CPU的功能, 指令控制 保证机器按程序规定的顺序取出执行, 操作控制 CPU产生每条指令所对应的操作信号，并把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作, 时间控制 对各种操作的实施时间进行定时, 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理,5.1 CPU的功能和组成,PC,IR,AC,CU,时钟,ALU,控制信号,标志,控制 信号,取指周期,ADD X,PC,IR,CU,ADD X 间址周期,PC,ADD X 执行周期,AC,ALU,地址有效,地址失效,数据稳定,高阻,静态 RAM 读 时序,二、 CPU的基本组成,控制器:完成对整个计算机
3、系统操作的协调与指挥。(1) 控制机器从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；(2) 对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，送往相应的部件，启动规定的动作；(3) 指挥并控制CPU、内存与输入/输出（I/O）设备之间数据流动的方向。,5.1 CPU的功能和组成,二、 CPU的基本组成,5.1 CPU的功能和组成,控制器:完成对整个计算机系统操作的协调与指挥。,取指令,分析指令,执行指令，发出各种操作命令,控制程序输入及结果的输出,总线管理,处理异常情况和特殊请求,运算器：数据加工处理部件，所进行的全部操作由控制器发出的控制信号指挥 (1)执行所有的算术运算； (2)执行所有的
4、逻辑运算，并进行逻辑测试,二、 CPU的基本组成,5.1 CPU的功能和组成,CPU的基本模型,即指令地址寄存器。存放当前正在执行的指令地址或下一条指令地址。 指令地址形成: (PC)+1-PC。或: 转移指令修改其内容,用以存放当前正在执行的指令,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。,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。,根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号,三、CPU中的主要寄存器,数据缓冲寄存器（DR） 暂时存放由内存读出或写入的指令或数据字 指令寄存器（IR） 保存当前正在执行的一条指令 程序计数器（P
5、C） 确定下一条指令的地址 地址寄存器（AR） 保存当前CPU所访问的内存单元的地址 累加寄存器（AC） 最常使用的一个通用寄存器 状态条件寄存器（PSW） 保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码,5.1 CPU的功能和组成,四、操作控制器与时序产生器,操作控制器在各寄存器之间建立数据通路（传送信息的通路）功能: 就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制 硬布线控制器 微程序控制器 时序产生器产生并发出计算机所需要的时序控制信号,5.1 CPU的功能和组成,5.2 指令周期,读取指令 指令地址送入主存地址寄存器 读主存，读出
6、内容送入指定的寄存器 分析指令 按指令规定内容执行指令 不同指令的操作步骤数 和具体操作内容差异很大 检查有无中断请求 若无，则转入下一条指令的执行过程,形成下一条指令地址,指令的执行过程,一、指令周期的基本概念,指令周期 : CPU从内存取出一条指令并执行完这条指令的时间总和,CPU周期 : 又称机器周期（总线周期），CPU访问内存所花的时间较长，因此用CPU从内存读取一条指令字的所需的最短时间来定义,时钟周期 : 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期T,相互关系： 1个指令周期 = 若干个CPU周期 1个CPU周期 = 若干T周期,取指时间执行指令时间,指令周期 CP
7、U周期 时钟周期,020 CLA ；累加器清0 021 ADD 30 ；（AC）+（30）AC 022 STA 40 ；（AC）(40) 023 NOP ； 空操作 024 JMP 21 ； 21 PC 030 000 006 ; 数据 040 存和数 ; 数据,5条典型指令构成的简单程序,二、指令的执行过程,1、CLA指令的指令周期,取出CLA指令,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,
8、+1,000 020,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 020,CLA,CLA,000 021,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 020,CLA,CLA,0
9、00 021,000 000,执行CLA指令,2、ADD指令的指令周期,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,31,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 021,ADD,ADD 30,000 021,000 022,000 030,000 006,0+6=6,000 006,取出并执行ADD指令,3
10、、STA指令的指令周期,算术逻辑单元,状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,CPU,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 022,STA,STA 40,000 022,000 023,000 040,000 006,000 006,000 006,取出并执行STA指令,4、NOP指令和JMP指令的指令周期,算术逻辑单元,
11、状态条件寄存器,程序计数器PC,地址寄存器AR,地址总线ABUS,数据总线DBUS,累加器AC,缓冲寄存器DR,ALU,指令寄存器IR,指令译码器,操作控制器 时序产生器,时钟,状态反馈,取指控制,执行控制,c,c,c,c,+1,20,21,22,23,24,30,40,CLA,ADD 30,STA 40,NOP,JMP 21,000 006,000 024,JMP 21,JMP 21,000 024,000 021,000 006,000 006,000 025,000 021,取出并执行JMP指令,公操作：一条指令执行完毕。,公操作,例：如图所示为双总线结构机器的数据通路图,IR,PC,A
12、R,M,DR,R0,R1,R2,R3,X,Y,ALU,G,A总线,B总线,IRi,IRo,PCi,PCo,ARi,DRi,DRo,R0i,R0o,R3i,R3o,Xi,Yi,G,ADD R2,R0 ；（R0）（R2)R0 要求：（1）画出指令周期流程图，设该指令的地址已放入PC中。（2）列出相应的微操作控制信号序列。,ADD R2,R0 ；（R0）（R2)R0,IR,PC,AR,M,DR,R0,R1,R2,R3,X,Y,ALU,G,A总线,B总线,IRi,IRo,PCi,PCo,ARi,DRi,DRo,R0i,R0o,R3i,R3o,Xi,Yi,G,IR,PC,AR,M,DR,R0,R1,R2
13、,R3,X,Y,ALU,G,A总线,B总线,IRi,IRo,PCi,PCo,ARi,DRi,DRo,R0i,R0o,R3i,R3o,Xi,Yi,G,IR,PC,AR,M,DR,R0,R1,R2,R3,X,Y,ALU,G,A总线,B总线,IRi,IRo,PCi,PCo,ARi,DRi,DRo,R0i,R0o,R3i,R3o,Xi,Yi,G,IR,PC,AR,M,DR,R0,R1,R2,R3,X,Y,ALU,G,A总线,B总线,IRi,IRo,PCi,PCo,ARi,DRi,DRo,R0i,R0o,R3i,R3o,Xi,Yi,G,IR,PC,AR,M,DR,R0,R1,R2,R3,X,Y,ALU,G,A总线,B总线,IRi,IRo,PCi,PCo,ARi,DRi,DRo,R0i,R0o,R3i,R3o,Xi,Yi,G,IR,PC,AR,M,DR,R0,R1,R2,R3,X,Y,ALU,G,A总线,B总线,IRi,IRo,PCi,PCo,ARi,DRi,DRo,R0i,R0o,R3i,R3o,Xi,
