计算机组成原理第二版课件 组成原理第五章

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1、计算机组成原理宋红sxyqsh@163.com第五章中央处理器5-1CPU基本组成和功能5-2CPU指令周期5-3微程序控制器5-4时序产生器和控制方式5-5早期的CPU5-6流水方式CPU5-7RISCCPU5-8多媒体CPU计算机的中央处理单元称为CPU（CentralProcessingUnit）。CPU是计算机的核心，个人计算机的中央处理器从Intel的4004发展到现在的PentiumⅢ，除了性能上的飞跃、架构的改变，CPU的核心体系也发生了根本的改变。这些改变实际并不只是影响个人计算

2、机的处理器，也对整个处理器技术的发展都具有深远的影响。本章将详细介绍CPU的基本组成和功能，指令周期的概念，时序产生器的组成，微程序控制器及其设计技术，传统CPU的结构。在此基础上，介绍流水CPU、RISCCPU、多媒体CPU等。5.1.1CPU的组成一般来说，CPU由运算器和控制器两大部分组成。但是随着高密度集成电路技术的发展，早期放在CPU芯片外部的一些逻辑功能部件，如浮点运算器、cache等纷纷移入CPU内部，因而使CPU的内部组成越来越复杂。这样CPU的基本组成部分变成了运算器、cach

3、e和控制器三大部分。本章以CPU执行指令来组织教学内容。给出下页图所示的CPU模型。便于读者建立计算机的整机观念。5.1CPU基本组成和功能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，控制器的主要功能有：（1）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）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。比如一次内存读／写操作，一个算术逻辑运算操作，或一个输入／输出操作。（3）指挥并控制CPU、内存和输入／输出设备之间数据流动的方向。运

4、算器由算术逻辑单元（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。运算器有两个主要功能：（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，如零值测试或两个值的比较。一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判别决定。5.1.2CPU功能用计算机解决某个问题时，首先必须为它编写程序。程序是一个指令序列，这个序

5、列明确告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装入内存储器，就可以由计算机来自动完成取出指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理器，通常简称CPU。CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能：操作控制一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的指令控制程序的顺序控制，称为指令控制。由于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，因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务

6、。时间控制对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。数据加工数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，是CPU的根本任务。因为，原始信息只有经过加工处理后才能对人们有用。5.1.3CPU中的主要寄存器各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但是在CPU中至少要有六类寄存器，如图5－1所示。这些寄存器是：指令寄存器（IR）

7、；程序计数器（PC）；地址寄存器（AR）；缓冲寄存器（DR）；累加寄存器（AC）；状态条件寄存器（PSW）。这些寄存器用来暂存一个计算机字。1．数据缓冲寄冲器（DR）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，当向内存存储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的差别；（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

8、寄存器。2．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。当执行一条指令时，先把它从内存读取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。3．程序计数器（PC）为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器（PC）正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送入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