计算机组成原理-中央处理器(cpu)

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1、计算机组成原理中央处理器CPU中国地质大学计算机学院2V2.0主要内容CPU的功能和组成控制器控制原理指令周期（★★★）时序产生器和控制方式微程序控制器（★★★）微程序设计技术硬布线控制器流水线处理器3CPU的组成和功能CPU的功能CPU的组成CPU中的主要寄存器操作控制器时序产生器4CPU的功能取出指令并执行指令的部件------CPU指令控制：指令执行的顺序控制;程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行。（首要任务）操作控制:产生各种操作信号;解释指令的操作码，通过

2、若干操作信号组合控制来实现指令功能。时间控制:控制操作信号的发生时间;完成一条指令的若干操作信号定时，有序执行。数据加工:----ALU.算术/逻辑运算；（根本任务）异常处理：接收、控制、管理信号资源及异常情况。5CPU的组成运算器算术运算/逻辑运算累加器、状态条件寄存器、缓存寄存器、移码器、锁存器、求补器等。控制器从内存取出一条指令,并指出下条指令的地址对指令进行译码,产生相应的控制信号指挥并控制CPU,内存和I/O设备之间的数据传送程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器、操作控制器、地址寄存器等。6CPU的基

3、本组成结构7CPU中的主要寄存器PC(ProgramCounter)----程序计数器AR(AddressRegister)---地址寄存器DR(DataRegister)----数据缓冲寄存器IR(InstructionRegister)-----指令寄存器AC(AccumulateCount)---累加寄存器PSW(ProgramStatusWord)程序状态字8PC为了保证程序能够连续地执行下去，CPU如何确定下一条指令的地址？程序计数器，又称指令计数器。在程序开始执行前，首先将起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地

4、址送入PC，因此PC的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于多数指令都是按顺序来执行的，修改的过程通常只是简单的对PC加1。当遇到转移指令如JMP指令时，那么后继指令的地址（即PC的内容)必须从指令的地址段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定，而不是像通常一样按顺序来取得。因此程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。9AR地址寄存器用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。内存和CPU之间存在操作速度上的差别

5、，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止。当CPU和内存进行信息交换，即CPU向内存存/取数据时，或者CPU从内存中读出指令时，都要使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。同样，如果我们把外围设备的设备地址作为像内存的地址单元那样来看待，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。地址寄存器的结构和数据缓冲寄存器、指令寄存器一样，通常使用单纯的寄存器结构。信息的存入一般采用电位-脉冲方式，即电位输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时地将信息打入寄存器。10D

6、R数据缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据缓冲寄存器中。缓冲寄存器的作用是：(1)作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站；(2)补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上差别；(3)在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。11IR指令寄存器IR用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到DR中，然后再传送至IR。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码

7、进行测试，以便识别所要求的操作。指令译码器就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。12AC累加寄存器AC通常简称为累加器，它是一个通用寄存器。其功能是：当运算器的算术逻辑单元ALU)执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。累加寄存器暂时存放ALU运算的结果信息。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。目前CPU中的累加寄存器，多达16个，32个，甚至更多。当使用多个累加器时，就变成通用寄存器堆结构，其中任何一个可存放源操作数，也可存放结果操作数。在这种

8、情况下，需要在指令格式中对寄存器号加以编址。13PSW状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，如运算结果进位标志