计算机组成原理(白中英)第五章中央处理器

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1、计算机组成原理任课教师：石磊郑州大学信息工程学院计算机系Email:shilei@zzu.edu.cnTel:13676986863第一章计算机系统概论第二章运算方法和运算器第三章存储系统第四章指令系统第五章中央处理器第六章总线系统第七章外围设备第八章输入输出系统第九章并行组织目录教材白中英，计算机组成原理·网络版，科学出版社，2002参考书石磊，计算机组成原理·第2版,清华大学出版社，2006钱晓捷，微型计算机原理及应用,清华大学出版社，2006王爱英,计算机组成与结构·第3版,清华大学出版社，2001白中英邝坚，计算

2、机组织与结构·网络版，科学出版社，2003计算机组成原理第5章中央处理器5.1CPU的组成和功能5.8流水CPU5.2指令周期5.9RISCCPU5.3时序产生器和控制方式5.10多媒体CPU5.4微程序控制器5.11CPU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CPU5.1CPU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

3、机的核心部件，通常简称为CPU（CentralProcessingUnit）5.1.1CPU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5.1.2CPU的基本组成控制器完成对整个计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

4、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运算器是数据加工处理部件，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)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试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存储器I/OCPUALU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ccccc缓冲寄存器DRCPU的基本模型5.1.3　CPU中的主要寄存器数据缓冲寄存器（DR）暂时

5、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（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5.1.4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）操作控制器的功能: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

6、并发出计算机所需要的时序控制信号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取指令执行指令5.2.1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

7、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·CPU周期·时钟周期020CLA；累加器清0021ADD30；（AC）+（30）→AC022STA40；（AC）→(40)023NOP；空操作024JMP21；21→PC…030000006;数据…040存和数;数据5条典型指令构成的简单程序一个CPU周期一个CPU周期取指令阶段执行指令阶段开始取指令PC+1对指令译码执行指令取下条指令PC+15.2.2CLA指令的指令周期取出

8、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DRCPUALU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cccc+10000202021222324303140CLAADD30STA40NOPJMP2100000600