计算机组成原理中央处理器CPU

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1、第六章中央处理器中央处理器，简称CPU，是整个计算机的核心，它包括运算器和控制器。CPU的主要功能是执行指令，控制并完成各种操作，包括运算操作、传送操作、输入输出操作等。为了实现这些功能，需要解决4个关键问题。CPU由哪些部件组成？各部件之间如何交换信息？CPU如何建立与外部的连接？CPU如何形成微命令序列来控制指令的执行？1本章主要内容主要内容中央处理器的功能和组成控制器的组成和实现方法指令周期、时序系统与控制方式微程序控制原理操作控制单元的设计流水线技术2一、中央处理器的功能当我们用计算机解决某个问题时，首先要为计算机编写程序。程序是一个指令序列，这个指令序列就是要明确

2、告诉计算机应该执行什么操作、数据从哪里来、结果送到哪里去。之后，一旦把程序装入主存，就可以由计算机自动地完成取出指令和执行指令的任务。在程序运行过程中，在计算机的各部件之间传送着指令和数据，形成了指令流和数据流。数据是在传送过程中得到加工和处理的。CPU的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。3CPU具备以下功能CPU具备以下四个方面的功能：指令控制：保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。操作控制：CPU根据指令的要求，产生需要的操作信号。时间控制：对各种操作信号进行定时，即进行时间控制。数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算。完成数据的加工处理，是

3、CPU的核心任务。42、CPU的基本组成CPU由运算器和控制器组成5运算器的组成与主要功能运算器的组成：算术逻辑单元（ALU）累加寄存器状态标志寄存器数据缓冲寄存器运算器的功能（前面已经介绍过）：执行所有的算术运算执行所有的逻辑运算通常算术运算产生一个结果，而逻辑运算产生一个判断。运算器是进行数据加工处理的部件，全部操作由控制器发出的控制信号来指挥，所以它是执行部件。6控制器的组成与主要功能控制器的组成：指令部件程序计数器指令寄存器指令译码器时序部件脉冲源节拍信号发生器启停控制逻辑微操作信号发生器中断控制逻辑控制器的主要功能：从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的

4、位置对指令的操作码进行译码，并产生相应的操作控制信号。比如，一次内存读写操作，或一个算术逻辑运算操作等。指挥并控制CPU、内存以及输入输出设备之间的数据流动方向。73、CPU中的主要寄存器CPU中的寄存器用来暂时存放运算过程的中间结果、最终结果以及状态信息。各种计算机CPU可能不同，但CPU中至少要有六类寄存器必不可少：数据缓冲寄存器指令寄存器程序计数器地址寄存器累加寄存器状态标志寄存器。8CPU中的主要寄存器（续）数据缓冲寄存器（MDR）：用来暂存由内存读出或写入内存的指令和数据，是CPU和内存、外部设备信息传送的中转站。指令寄存器（IR）：用来存放当前正在执行的一条指令

5、。在指令执行期间，指令寄存器的内容不允许发生变化。程序计数器（PC）：用来存放将要执行的下一条指令的地址。地址寄存器（MAR）：地址寄存器用来保存CPU当前所访问的内存单元的地址。只要CPU和内存交换信息，都要用到地址寄存器和数据缓冲寄存器。累加寄存器（AC）：执行算术逻辑操作时，为ALU提供操作数及存放运算结果。状态标志寄存器（PSW）：用来存放由指令执行结果所建立的状态以及机器自身的运行状态，第一类为状态标志，第二类为控制标志。94、控制器的核心部件微操作信号发生器：控制器的核心部件，其功能是根据指令操作码、状态信息和时序信号，产生各种微操作控制信号，以便正确地建立数据

6、通路，从而完成取指令和执行指令的任务。根据产生微操作控制信号的不同方式，控制器分为组合逻辑型、存储逻辑型以及组合逻辑与存储逻辑结合型三种。采用组合逻辑实现的控制器称为组合逻辑控制器，采用存储逻辑实现的控制器称为微程序控制器。时序部件：脉冲源、节拍信号发生器和启停控制逻辑构成。微操作控制信号有严格的时间要求，绝不能出现任何差错。时序部件的作用是对各种操作实施时间上的控制。105、CPU内部的数据通路CPU内部各部件之间需要传送信息，例如操作数由寄存器送到ALU进行运算，ALU将运算结果送入寄存器存放，等等。把CPU内部各部件之间传送数据的通路称为数据通路。通常，用总线连接CP

7、U内部各部件。有三种内部总线结构，即单总线结构、双总线结构和三总线结构，我们曾在四章关于运算器的组织中介绍过。11二、指令周期指令和数据都放在内存里。从形式上看，它们都是二进制代码，CPU是怎么准确地判别出是指令还是数据的？这要从指令周期说起。121、指令周期的基本概念CPU取指令—执行指令的序列：指令周期是取出并执行完一条指令的时间。因为各种指令的操作功能不同，所以指令周期也不完全相同。指令周期通常用若干个CPU周期来表示，CPU周期也叫机器周期。一个CPU周期在时间上等于主存的一个存取周期。例如，从主存取出一条