电子科技大学计算机组成原理3计算机组成原理-3-1-概述

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1、本章主要讨论：运算器控制器数据通路结构与外部的连接指令的执行过程CPU组成CPU工作原理第3章CPU子系统3.1概述R0~R3R0~R3CDCDSPPCPSWMDRA移位器BALUR2R0R1MI/OCB内总线CR3DMARMDRIRPCSPPSWABDB控制逻辑模型机CPU内部结构1、运算部件2、寄存器组3、微命令产生部件4、时序系统5、CPU内部数据通路结构3.1.1CPU的基本组成：由CPU内总线将这些部件连接起来，实现部件之间的信息交换。1.运算部件任务：对操作数进行加工处理。基本组成如下：输入逻辑输出逻

2、辑ALU输入逻辑操作数操作数运算结果运算部件的设置将直接影响计算机的运算功能，按硬件设置的高低，大致分4种情况：①只设置一个ALU:低档微机中，只能实现基本的定点加减和逻辑运算，依靠子程序实现定点乘除、浮点等复杂运算。②设置一个ALU，并且配合时序控制:高档微机中分若干步在硬件级实现定点乘除，如果设置了阵列乘法除法器，则乘除也可一步完成。③设置一个ALU，定点乘除和浮点部件作为基本配置:常见配置，机器的运算功能达到传统中型机范畴。④设置多种运算部件:大、巨型机中，设置多个运算部件，定点标量、浮点、向量运算器等。2

3、.寄存器组任务：暂存控制信息和数据信息。基本类型如下：（1）通用寄存器组可由CPU通过程序访问，在指令中可为这组寄存器分配各自的编号，可编程访问指定编号的寄存器。作用：提供操作数、存放运算结果，提供地址指针、基址、变址、计数器等。早期：D触发器；现在：中规模集成度RAM构成寄存器组，一个单元作一个寄存器，有单口和双口之分。（2）暂存器特征：无编号，不能被CPU编程访问。目的：用来暂存产生的中间过程数据，以避免破坏通用寄存器的内容。（3）指令寄存器（IR）用途：用来存放正在执行的指令，它的输出包括操作码信息、地址信

4、息等，是产生微命令的主要逻辑依据。通常在主存的数据寄存器和指令寄存器之间建立直传通路，以提高速度。（4）程序计数器（PC）用途：指示指令在存储器中的存放位置。00FFPC00FF注意：取指结束后，PC内容增加以指示下一条指令地址，增加量取决于现行指令所占存储单元数。（5）程序状态字寄存器（PSW）主要用途：记录现行程序的运行状态和指示程序的工作方式。进位C溢出V零位Z负位N奇偶P特征位也叫标志位、条件码，用来反映当前程序的执行状态。指令执行后，CPU根据执行结果设置相应特征位，作为决定程序流向的判断依据，常见有5

5、种。编程设定位PSW中某些位或字段由CPU编程设定，以决定程序的调试、对中断的响应、程序的工作方式等。跟踪位T允许中断I程序优先级段工作方式字段注意：IR,PC,PSW等寄存器属于控制部件，用来存放控制信息。（6）地址寄存器（MAR）用途：CPU访问主存时，先要找到存储单元，因此设置地址寄存器来存放被访问单元的地址。从内存中读时，先将有效地址送入MAR。（7）数据缓冲寄存器（MBR）用途：存放CPU与主存之间交换的数据。无论是从主存读出的数据，还是写入主存的数据，都要经过MBR。3.微命令产生部件任务：根据控制信

6、息产生微命令序列，对指令功能所要求的数据传送进行控制，且在数据传送到运算部件时控制完成运算处理。按产生微命令的方式，可以分为两类：组合逻辑控制方式微程序控制方式4.时序系统时钟脉冲、时钟周期、节拍信号与有关控制条件相结合，产生所需的各种工作脉冲。定义：周期、节拍、脉冲等信号称为时序信号，产生时序信号的部件则称为时序发生器或时序系统，由一个振荡器和一组计数分频器组成。振荡器：一个脉冲源，输出频率稳定的主脉冲，也称为时钟脉冲，为CPU提供时钟基准。时钟脉冲经过一系列计数分频，产生所需的节拍（时钟周期）信号或更长的工作

7、周期（机器周期）信号。5.CPU内部的数据通路结构（1）单组内总线、分立寄存器结构移位器R0RnALU选择器A选择器BR0…RnR0…Rn内总线（2）单组内总线、集成寄存器结构移位器R0R2ALU暂存器C暂存器D内总线…Rn（3）多组内总线结构特点：设置多组数据总线3.1.2时序控制方式在微命令的的形成逻辑中引入相关的时间标记，这就是时序信号，以便使计算机的操作能在不同的时间段中有序完成。时序控制方式：计算机的操作与时序信号之间的关系称为时序控制方式，按同步与非同步的关系可分为同步控制方式异步控制方式混合控制方式

8、（1）同步控制方式基本特点：用统一发出的时序信号（如周期、节拍、脉冲等）对各项操作进行控制。操作时间：被划分为许多固定长度的时间段，一个时间段就是一个节拍（时钟周期），每个周期内完成一部操作。安排方式：按CPU内部数据通路的一次传送按一次访存时间注意：时钟周期作为基本时序单位，一旦确定便固定。优点：时序关系简单，时序划分规整（工作周期、节拍、脉冲）、控制不复杂、控制部件在