计算机科学与技术专业

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1、计算机科学与技术专业计算机组成原理武汉科技大学计算机科学与技术学院第五章　中央处理器本章内容5.1CPU的组成和功能5.2指令周期5.3时序产生器和控制方式5.4微程序控制器5.5微程序设计技术5.6硬布线控制器5.7传统的CPU5.8流水CPU5.9RISCCPU5.10多媒体CPU计算机的核心部分称为中央处理器，简称CPU。传统的CPU由运算器和控制器两大部件组成，现代的CPU由运算器、控制器和Cache三大部件组成。CPU的中心任务是逐条地从内存中取出指令，并执行指令所需的操作，完成程序的预定任务。5.1CPU的组成和功能5.1.1CPU

2、器的功能当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它编写程序。程序是一个指令序列，这个序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：1.指令控制－－控制程序中指令的执行顺序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。2.操作控制－－形成执行指令所需的控

3、制信号并送往相应部件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，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，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。3.时间控制－－对操作控制信号加以时间上的约束对各种操作实施时间上的定时称为时间控制。在计算机中，各种指令的操作信号以及一条指令的整个执行过程都受到时间的严格定时。4.数据加工－－对数据进行相应的算术逻辑运算及相应加工处理数据加工就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。5.1.2CPU的基本组成－－现代CPU由运算器、cache和控制器三大部分组成。C

4、PU运算器控制器组成：组成：功能：功能：算术逻辑单元ALU、累加寄存器AC数据缓冲寄存器DR、状态条件寄存器PSW作为“执行机构”接受控制器送来的命令，负责对数据进行加工处理，包括：执行所有算术、逻辑运算及比较、测试等。程序计数器PC、指令寄存器IR指令译码器、时序产生器、操作控制器作为“决策机构”协调和指挥整个计算机系统的操作，包括：(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；(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。在CPU中至

5、少要有六类寄存器。这些寄存器用来暂存一个计算机字。根据需要，可以扩充其数目。1.数据缓冲寄存器（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寄存器。5.1.3CPU中的主要寄存器2.指令寄存器（IR）保存现行令，并将操作码提供指令译码器译码3.程序

6、计数器（PC）装入给定值，存储程序首地址，或转移目标地址自动加1计数，每取出一条指令，自动指向下一条指令4.地址寄存器（AR）保存当前CPU所访问的内存单元的地址5.累加寄存器（AC）存放算术逻辑运算的操作数之一及运算结果累加寄存器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

7、可存放源操作数，也可存放结果操作数。在这种情况下，需要在指令格式中对寄存器号加以编址。6.状态条件寄存器（PSW）保存算术逻辑运算或测试的状态结果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(C)，运算结果溢出标志（V)，运算结果为零标志(Z)，运算结果为负标志(N)等等。这些标志位通常分别由1位触发器保存。除此之外，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。数据通路是许多

8、寄存器之间传送信息的通路。信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器，都要加以控制。在各寄存器之间建立数据通路的任务，是由