计算机组成原理第六章CPU的结构和功能

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1、第六章CPU的结构和功能学时：4学时重点：掌握CPU的基本结构和基本功能CPU的功能和组成指令周期时序产生器和控制方式主要内容什么是CPU？所谓中央处理器是控制计算机来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。CPU的功能和组成CPU的功能指令控制：就是保证机器按规定的顺序执行程序操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，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：对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。数据加工：所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加

2、工处理，这是CPU的根本的任务。CPU的功能和组成（2）CPU的基本组成中央处理器由两个主要部分——控制器和运算器组成。CPU的功能和组成控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控制器的主要功能有：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。对指令进行译码或测试，并产生相应的控制信号。指挥并控制CPU，内存和I/O之间的数据流动的方向。CPU的功能和组成运算器由算术逻辑单位（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控

3、制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。运算器的主要功能：执行所有的算术运算。执行所有的逻辑运算。CPU的功能和组成CPU的功能和组成算术逻辑单元状态条件寄存器程序记数器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cccccCPU的主要寄存器CPU的功能和组成累加寄存器AC累加寄存器AC通常简称为累加器，它的功能是：当运算器的算术逻辑单元（ALU）执行全部算术和

4、逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。累加寄存器是暂时存放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。状态条件寄存器PSW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，同时状态条件寄存器还保存中断和系统工作状态等信息，以便使CPU和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是一个由各种状态条件标志拼凑而成的寄存器。CPU的功能和组成程序计数器PC程序计数器中存放的是下一条指令在内存中的地址。指令寄存器IR指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。CPU的功能和组成地址寄存器AR地址寄存器用来保存当前CP

5、U所访问的内存单元的地址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别，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。缓冲寄存器DR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缓冲寄存器中。操作控制器和时序产生器数据通路：通常把许多寄存器之间传送信息的通路，称为“数据通路”。操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种操作信号，以便正确建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的操作。时序产生器：因为计算机高速地进行工作，每一个动作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序

6、产生器的作用，就是对各种操作实施时间上的控制。CPU的功能和组成程序的执行过程：指令周期冯.诺依曼结构的计算机执行程序的顺序：1.正确从程序首地址开始.2.正确分步执行每一条指令，并形成下条待执行指令的地址.3.正确并自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令.—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指令周期形成下一条指令地址指令的执行过程指令周期的基本概念指令周期指令周期：CPU每取出并执行一条指令，都要完成一系

7、列的操作，这一系列操作所需用的时间通常叫做一个指令周期。机器周期：指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称为机器周期。时钟周期：由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存所花的时间较长，因此通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。而一个CPU周期时间又包含有若干个时钟周期（通常称为节拍脉冲或T周期，它是处理操作的最基本单位）。这些时钟周期的总和则规定了一个CPU周期的时间宽度。指令周期指令周期T周期CPU周期CPU周期T1T2T3T4（取指令）（执行指令）指令周期指令周期取指周期指令周期间址周期指令周期执行周期许多类型主要是涉