中央处理单元CPU

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1、1第5章中央处理器主要内容：（一）CPU的功能和基本结构（二）指令执行过程（三）数据通路的功能和基本结构（四）控制器的功能和工作原理1.硬布线控制器2.微程序控制器微程序、微指令和微命令；微指令的编码方式；微地址的形成方式。（五）指令流水线1.指令流水线的基本概念2.超标量和动态流水线的基本概念25.1CPU的功能和基本结构中央处理器简称CPU，是计算机系统的核心。主要功能：程序的执行(指令控制)，数据处理，操作控制，时间控制，异常处理。组成：运算器，控制器，寄存器，时钟电路，(某些CP

2、U中还包括一定容量的ROM、RAM存储器等)。3计算机硬件系统的组成45.1.1CPU的功能取指令分析指令执行指令，发出各种操作命令控制程序输入及结果的输出总线管理处理异常情况和特殊请求2.控制器1.运算器实现算术运算和逻辑运算指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断5控制器的功能能够正确并且自动地连续执行指令按程序中设定的指令次序执行正确地分步完成每一条指令规定的功能读取指令→分析指令→执行指令进一步讲，就是向计算机各功能部件提供协调运行每一个步骤所需要的控制信号控制器是指挥与控制整台计算机各

3、功能部件协同工作、自动执行计算机程序的部件。其作用是控制指令的执行过程。6控制器的功能冯.诺依曼结构的计算机“存储程序”计算机，设置内存，存放程序和数据在程序运行之前将程序调入内存，然后执行程序计算机的功能是执行程序程序是依次排列起来的指令序列计算机执行程序的基本过程从程序首地址开始执行第一条指令分步执行每一条指令，并形成下一条待执行指令地址自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指令75.1.2CPU的基本结构PCIR指令控制操作控制时间控制数据加工处理中断ALU寄存器中断系统1.CPU与系统总

4、线CU时序电路寄存器ALU中断系统CUCPU控制总线数据总线地址总线82.CPU的内部结构算术和逻辑运算取反移位状态标志内部数据总线CPU寄存器CU中断系统ALU控制信号…9(1)通用寄存器CPU的寄存器可提供操作数、保存运算结果，或用作地址指针和计数器等。(2)控制寄存器包括程序计数器PC、指令寄存器IR和程序状态字寄存器PSW等。PC控制CPU操作其中MARMDRIR用户不可见PC用户可见MARMMDRIR10①程序计数器（ProgramCount，PC）：通过PC内容的不断更新，控制机器执

5、行指令序列的进程，保证程序能自动连续执行。②指令寄存器IR：用于存放现行指令。当执行一条指令时，首先从内存将指令取出送到指令寄存器IR，然后送至指令译码器ID，产生各种微操作命令。③程序状态字寄存器PSW：记录算术和逻辑运算指令建立的各种条件码信息，如进位、零、符号、溢出等标志。可被后面的条件转移指令所测试，作为程序分支的依据，还可保存中断和程序的工作状态等信息。(2)控制寄存器11（3）主存接口寄存器是CPU与主存储器进行数据交换使用的寄存器，主要包括主存地址寄存器MAR（或AR）和主存数据寄

6、存器MDR（或DR）。MAR：存放将被访问的存储单元的地址。MDR：存放欲存入主存中的数据或最近从主存中读出的数据。125.1.3控制单元CUCU产生全部指令的微操作命令序列组合逻辑设计微程序设计硬连线逻辑存储逻辑为什么需要控制信号？需要什么样的控制信号？如何产生控制信号？控制器设计需要解决的问题：13控制器组成和在整机中的地位在计算机硬件系统中，控制器处于指挥控制地位14控制器的主要组成①程序计数器PC存放指令地址，有增量或接收新值功能②指令寄存器IR存放指令内容：操作码与操作数地址③指令译码

7、器ID（或操作码译码器）对指令寄存器中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号。④指令执行步骤标记线路指明每条指令的执行步骤和相对次序关系。15⑤控制信号产生线路给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号。⑥脉冲源及启停线路脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号，在机器刚加电时，一般还应产生一个总清信号。（Reset）。启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而启动机器工作或使之停机。16两种不同类型的控制器根据指令步骤标记

8、线路和控制信号产生线路不同的组成和不同的运行原理，有两种不同类型的控制器：硬连线控制器(组合逻辑控制器)：采用组合逻辑线路、依据指令及其执行步骤直接产生控制信号。微程序控制器：采用存储器电路把控制信号存储起来（CM），依据指令执行的步骤读出要用到的信号组合。175.2指令周期5.2.1指令周期的基本概念1.指令周期CPU取出并执行一条指令所需的全部时间完成一条指令执行取指、分析取指阶段取指周期执行阶段执行周期（取指、分析）（执行指令）指令周期取指周期执行周期182.每条指令的指令周期不同取指周期