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1、第五章中央处理器第五章中央处理器lCPU的组成和功能的组成和功能l指令周期指令周期l时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式l微程序控制器微程序控制器l硬布线控制器硬布线控制器l流水流水CPU 5.1CPU的组成和功能的组成和功能5.1.1CPU的功能的功能 使用使用使用使用CPUCPU可以自动完成取出指令和执行指令的可以自动完成取出指令和执行指令的可以自动完成取出指令和执行指令的可以自动完成取出指令和执行指令的任务。任务。任务。任务。 CPUCPU的基本功能：的基本功能：的基本功能：的基本功能： l指令控制指令控制指令控制指令控制 程序的顺序控制。程序的顺序控制。程序的顺序控制。程序的顺序控
2、制。l操作控制操作控制操作控制操作控制 管理并产生由内存取出的每条指令的操作信管理并产生由内存取出的每条指令的操作信管理并产生由内存取出的每条指令的操作信管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按号，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。指令的要求进行动作。指令的要求进行动作。指令的要求进行动作。 l时间控制时间控制时间控制时间控制 对各种操作实施时间上的定时。对各种操作实施时间上的定时。对各种操作实施时间上的定时
3、。对各种操作实施时间上的定时。l数据加工数据加工数据加工数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理。对数据进行算术运算和逻辑运算处理。对数据进行算术运算和逻辑运算处理。对数据进行算术运算和逻辑运算处理。 5.1.2CPU的基本组成的基本组成l早期的早期的早期的早期的CPUCPU由由由由运算器运算器运算器运算器和和和和控制器控制器控制器控制器两大部分组成。两大部分组成。两大部分组成。两大部分组成。l随着高密度集成电路技术的发展，当今的随着高密度集成电路技术的发展，当今的随着高密度集成电路技术的发展，当今的随着高密度集成电路技术的发展，当今的CPUCPU芯片变成芯片变成芯片变成芯片变成运算器运算器
4、运算器运算器、cachecache和和和和控制器控制器控制器控制器三大部分，三大部分，三大部分，三大部分，其中还包括其中还包括其中还包括其中还包括浮点运算器浮点运算器浮点运算器浮点运算器、存储管理部件存储管理部件存储管理部件存储管理部件、中断中断中断中断系统系统系统系统、总线接口总线接口总线接口总线接口等。等。等。等。5.1.2CPU的基本组成的基本组成控制器控制器从内存中取出一条指令，并指出从内存中取出一条指令，并指出从内存中取出一条指令，并指出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；下一条指令在内存中的位置；下一条指令在内存中的位置；下一条指令在内存中的位置；对指令进行译码或
5、测试，并产生对指令进行译码或测试，并产生对指令进行译码或测试，并产生对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动相应的操作控制信号，以便启动相应的操作控制信号，以便启动相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；规定的动作；规定的动作；规定的动作；指挥并控制指挥并控制指挥并控制指挥并控制CPUCPU、内存和输入、内存和输入、内存和输入、内存和输入/ /输出设备之间数据流动的方向。输出设备之间数据流动的方向。输出设备之间数据流动的方向。输出设备之间数据流动的方向。5.1.2CPU的基本组成的基本组成控制器控制器（2）5.1.2CPU的基本组成的基本组成运算器运算器5.1.2CPU的基本组
6、成的基本组成运算器运算器（2）执行所有的算术运算；执行所有的算术运算；执行所有的算术运算；执行所有的算术运算；执行所有的逻辑运算，执行所有的逻辑运算，执行所有的逻辑运算，执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零并进行逻辑测试，如零并进行逻辑测试，如零并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。值测试或两个值的比较。值测试或两个值的比较。值测试或两个值的比较。5.1.3CPU中的主要寄存器中的主要寄存器CPUCPU中最基本的六类寄存器：中最基本的六类寄存器：中最基本的六类寄存器：中最基本的六类寄存器：l l 数据缓冲寄存器（数据缓冲寄存器（数据缓冲寄存器（数据缓冲寄存器（DRDR）l l 指令寄存
7、器（指令寄存器（指令寄存器（指令寄存器（IRIR）l l 程序计数器（程序计数器（程序计数器（程序计数器（PCPC）l l 地址寄存器（地址寄存器（地址寄存器（地址寄存器（ARAR） l l 累加寄存器（累加寄存器（累加寄存器（累加寄存器（ACAC）l l 状态条件寄存器（状态条件寄存器（状态条件寄存器（状态条件寄存器（PSWPSW） 5.1.4操作控制器与时序产生器操作控制器与时序产生器数据通路数据通路数据通路数据通路是许多寄存器之间传送信息的通路。是许多寄存器之间传送信息的通路。是许多寄存器之间传送信息的通路。是许多寄存器之间传送信息的通路。操作控制器的功能操作控制器的功能操作控制器的功能
8、操作控制器的功能：根据指令操作码和时序信：根据指令操作码和时序信：根据指令操作码和时序信：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号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据号，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。通路，从而完成取指令和执行指令的控制。通路，从而完成取指令和执行指令的控制。通路，从而完成取指令和执行指令的控制。操作控制器的分类操作控制器的分类根据设计方法不同，操作控制器可分为根据设计方法不同，操作控制器可分为根据设计方法不同，操作控制器可分为根据设计方法不同，操作控制
9、器可分为l时序逻辑型（时序逻辑型（时序逻辑型（时序逻辑型（硬布线控制器硬布线控制器硬布线控制器硬布线控制器）l存储逻辑型（存储逻辑型（存储逻辑型（存储逻辑型（微程序控制器微程序控制器微程序控制器微程序控制器）l时序逻辑与存储逻辑结合型（时序逻辑与存储逻辑结合型（时序逻辑与存储逻辑结合型（时序逻辑与存储逻辑结合型（门阵列控制器门阵列控制器门阵列控制器门阵列控制器） 时序产生器的作用：时序产生器的作用：时序产生器的作用：时序产生器的作用：对各种操作实施时间上的对各种操作实施时间上的对各种操作实施时间上的对各种操作实施时间上的控制。控制。控制。控制。 5.2指令周期指令周期5.2.1指令周期的基本概
10、念指令周期的基本概念 l存储器中指令和数据的区分，使用的是指令周存储器中指令和数据的区分，使用的是指令周存储器中指令和数据的区分，使用的是指令周存储器中指令和数据的区分，使用的是指令周期的方法。期的方法。期的方法。期的方法。l什么是指令周期呢？什么是指令周期呢？什么是指令周期呢？什么是指令周期呢？指令周期示意图指令周期示意图指令周期指令周期指令周期指令周期CPUCPU从内存取出一条指令并执行这从内存取出一条指令并执行这从内存取出一条指令并执行这从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。条指令的时间总和。条指令的时间总和。条指令的时间总和。由于各种指令的操作功能不同，各种指令的由于各种指令的操
11、作功能不同，各种指令的由于各种指令的操作功能不同，各种指令的由于各种指令的操作功能不同，各种指令的指令周期指令周期指令周期指令周期是是是是不尽相同不尽相同不尽相同不尽相同的。的。的。的。划分指令周期，是设计操作控制器的重要依据。划分指令周期，是设计操作控制器的重要依据。划分指令周期，是设计操作控制器的重要依据。划分指令周期，是设计操作控制器的重要依据。指令周期示意图指令周期示意图CPUCPU周期周期周期周期又称又称又称又称机器周期机器周期机器周期机器周期，从内存读取一，从内存读取一，从内存读取一，从内存读取一条指令字的最短时间。条指令字的最短时间。条指令字的最短时间。条指令字的最短时间。指令周
12、期示意图指令周期示意图时钟周期时钟周期时钟周期时钟周期通常称为节拍脉冲或通常称为节拍脉冲或通常称为节拍脉冲或通常称为节拍脉冲或T T周期。周期。周期。周期。一个一个一个一个CPUCPU周期包含若干个时钟周期。周期包含若干个时钟周期。周期包含若干个时钟周期。周期包含若干个时钟周期。时钟周期时钟周期时钟周期时钟周期CPUCPU周期（机器周期）周期（机器周期）周期（机器周期）周期（机器周期）指令周期指令周期指令周期指令周期 5.2.2CLA指令的指令周期指令的指令周期l lCLACLA是一条是一条是一条是一条非访内指令非访内指令非访内指令非访内指令l l累加寄存器累加寄存器累加寄存器累加寄存器ACA
13、C的内容全的内容全的内容全的内容全部清零部清零部清零部清零l l周期数：周期数：周期数：周期数：2 2（1+11+1） 取指令和执行指令取指令和执行指令+10200200200200210212020CLACLACLACLACLACLA000 000 0000005.2.3ADD指令的指令周期指令的指令周期l l访问内存取访问内存取访问内存取访问内存取数并执行加数并执行加数并执行加数并执行加法操作法操作法操作法操作l l周期数：周期数：周期数：周期数：3 3（1+21+2） 送操作数地址，两操作数相加送操作数地址，两操作数相加ADDADD30303030000 006000 006030030
14、000 006000 006000 006000 0065.2.4STA指令的指令周期指令的指令周期l l访问内存的访问内存的访问内存的访问内存的存数指令存数指令存数指令存数指令l l周期数：周期数：周期数：周期数：3 3（1+21+2） 送操作数地址，存储和数送操作数地址，存储和数STASTA4040040040000 006000 006000 006000 0064040000 006000 0065.2.5NOP指令和指令和JMP指令的指令周期指令的指令周期l lNOPNOP指令是一指令是一指令是一指令是一条空操作指令，条空操作指令，条空操作指令，条空操作指令，用来调机。用来调机。用来
15、调机。用来调机。l l周期数：周期数：周期数：周期数：1 1l lJMPJMP指令一个指令一个指令一个指令一个程序控制指令，程序控制指令，程序控制指令，程序控制指令，改变程序原先的改变程序原先的改变程序原先的改变程序原先的执行顺序。执行顺序。执行顺序。执行顺序。l l周期数：周期数：周期数：周期数：2 2JMPJMP指令指令指令指令JMP指令的执行阶段指令的执行阶段JMPJMP2121+1000 025000 025000 021000 021000 021000 021五条指令的取指和执行过程五条指令的取指和执行过程5.2.6用方框图语言表示指令周期用方框图语言表示指令周期所谓所谓所谓所谓公
16、操作公操作公操作公操作是指一条指令执行完毕是指一条指令执行完毕是指一条指令执行完毕是指一条指令执行完毕后，后，后，后，CPUCPU所开始进行的一些操作，所开始进行的一些操作，所开始进行的一些操作，所开始进行的一些操作，这些操作主要是这些操作主要是这些操作主要是这些操作主要是CPUCPU对外设请求的对外设请求的对外设请求的对外设请求的处理，如中断处理、通道处理等。处理，如中断处理、通道处理等。处理，如中断处理、通道处理等。处理，如中断处理、通道处理等。 DBUSDBUSABUSABUS【例例1】（P.166）5.3时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式5.3.1时序信号的作用和体制时序信号的作
17、用和体制 时序信号时序信号时序信号时序信号是一个类似是一个类似是一个类似是一个类似“作息时间作息时间作息时间作息时间”的东西，它的东西，它的东西，它的东西，它能够使计算机准确、迅速、有条不紊地工作。能够使计算机准确、迅速、有条不紊地工作。能够使计算机准确、迅速、有条不紊地工作。能够使计算机准确、迅速、有条不紊地工作。 【思考思考思考思考】 用二进制码表示的指令和数据都放用二进制码表示的指令和数据都放用二进制码表示的指令和数据都放用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，那么在内存里，那么在内存里，那么在内存里，那么CPUCPU是怎样识别数据和指令？是怎样识别数据和指令？是怎样识别数据和指令？是怎
18、样识别数据和指令？ 计算机的协调动作需要时间标志，而时间标计算机的协调动作需要时间标志，而时间标计算机的协调动作需要时间标志，而时间标计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用志则是用志则是用志则是用时序信号时序信号时序信号时序信号来体现的。时序信号最基本的来体现的。时序信号最基本的来体现的。时序信号最基本的来体现的。时序信号最基本的体制是体制是体制是体制是电位脉冲制电位脉冲制电位脉冲制电位脉冲制。 硬布线控制器中，时序信号往往采用硬布线控制器中，时序信号往往采用硬布线控制器中，时序信号往往采用硬布线控制器中，时序信号往往采用主状态主状态主状态主状态周期周期周期周期- - - -节拍电位节
19、拍电位节拍电位节拍电位- - - -节拍脉冲节拍脉冲节拍脉冲节拍脉冲三级体制。三级体制。三级体制。三级体制。 微程序控制器中，时序信号比较简单，一般微程序控制器中，时序信号比较简单，一般微程序控制器中，时序信号比较简单，一般微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用采用采用采用节拍电位节拍电位节拍电位节拍电位- - - -节拍脉冲节拍脉冲节拍脉冲节拍脉冲二级体制。二级体制。二级体制。二级体制。5.3.2时序信号产生器时序信号产生器l时序信号产生器提供时序信号产生器提供时序信号产生器提供时序信号产生器提供CPUCPU周期周期周期周期( ( ( (也称机器周期也称机器周期也称机器周期也称机器周期)
20、 ) ) )所需的所需的所需的所需的时序信号时序信号时序信号时序信号。l操作控制器利用这些时序信号进行操作控制器利用这些时序信号进行操作控制器利用这些时序信号进行操作控制器利用这些时序信号进行定时定时定时定时，有条，有条，有条，有条不紊地取出一条指令并执行这条指令。不紊地取出一条指令并执行这条指令。不紊地取出一条指令并执行这条指令。不紊地取出一条指令并执行这条指令。l微程序控制器中使用的时序信号产生器由微程序控制器中使用的时序信号产生器由微程序控制器中使用的时序信号产生器由微程序控制器中使用的时序信号产生器由时钟时钟时钟时钟源源源源、环形脉冲发生器环形脉冲发生器环形脉冲发生器环形脉冲发生器、节
21、拍脉冲和读写时序译节拍脉冲和读写时序译节拍脉冲和读写时序译节拍脉冲和读写时序译码逻辑码逻辑码逻辑码逻辑、启停控制逻辑启停控制逻辑启停控制逻辑启停控制逻辑等部分组成。等部分组成。等部分组成。等部分组成。时序发生器时序发生器脉冲时钟源环形脉环形脉环形脉环形脉冲发生冲发生冲发生冲发生器器器器节拍脉冲和节拍脉冲和节拍脉冲和节拍脉冲和读写时序译读写时序译读写时序译读写时序译码逻辑码逻辑码逻辑码逻辑启停启停启停启停控制控制控制控制逻辑逻辑逻辑逻辑时时时时钟钟钟钟源源源源5.3.3控制方式控制方式 形成控制不同操作序列时序信号的方法称为控形成控制不同操作序列时序信号的方法称为控形成控制不同操作序列时序信号的
22、方法称为控形成控制不同操作序列时序信号的方法称为控制器的控制方式。常用的方式有：制器的控制方式。常用的方式有：制器的控制方式。常用的方式有：制器的控制方式。常用的方式有：l l同步控制方式同步控制方式同步控制方式同步控制方式 在任何情况下，已定的指令在执行时所需的在任何情况下，已定的指令在执行时所需的在任何情况下，已定的指令在执行时所需的在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变。机器周期数和时钟周期数都固定不变。机器周期数和时钟周期数都固定不变。机器周期数和时钟周期数都固定不变。l l异步控制方式异步控制方式异步控制方式异步控制方式 每条指令、每个操作控制信号需要多少时间每条指令、每个操作控制信号需要多少时间每条指令、每个操作控制信号需要多少时间每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就占用多少时间。就占用多少时间。就占用多少时间。就占用多少时间。l l联合控制方式联合控制方式联合控制方式联合控制方式 同步控制和异步控制的结合同步控制和异步控制的结合同步控制和异步控制的结合同步控制和异步控制的结合 其实质其实质其实质其实质反映了时序信号的定时方式反映了时序信号的定时方式反映了时序信号的定时方式反映了时序信号的定时方式。
