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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 Proc
2、essing 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
3、算机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)
4、执行所有的逻辑运算，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
5、计数器（PC） 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
6、读主存，读出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
7、令周期 CPU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,
8、c,c,c,+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
9、,CLA,000 021,000 000,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A
10、DD指令,3、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
11、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,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,I
12、R,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,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,R
13、0,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,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,
