计算机组成原理第5章-CPU(软)ppt课件.ppt

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1、第5章　中央处理器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5.1CPU的组成和功能5.1.1CPU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：★指令控制程序

2、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。★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，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。★时间控制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。★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。5．1．2CPU的基本组成传统CPU的组成：运算器、控制器。（在诺曼

3、机的定义中）现代的CPU的基本部分有：运算器、Cache和控制器。状态条件寄存器PSW存储器输入/输出ALU累加器AC缓冲寄存器DR操作控制器时序发生器指令译码器指令寄存器IR程序计数器PC地址寄存器AR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。它的主要功能有：(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；(3)指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的

4、方向。运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。5.1.3　CPU中的主要寄存器在CPU中至少要有六类寄存器。这些寄存器用来暂存一个计算机字。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

5、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。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，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。指令译码器就是做这项工作的。

6、指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。3.程序计数器（PC）也叫指令计数器，存放程序的第一条指令所在的内存单元地址当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对PC加1。但是，当遇到转移指令如JMP指令时，那么后继指令的地址（即PC的内容)必须从指令的地址段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定，而不是像通常一样按顺序来取得。因此程序计数器的结构应当

7、是具有寄存信息和计数两种功能的结构。4.地址寄存器（AR）地址寄存器用来保存当前CPU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。当CPU和内存进行信息交换，即CPU向内存存/取数据时，或者CPU从内存中读出指令时，都要使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。同样，如果我们把外围设备的设备地址作为像内存的地址单元那样来看待，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。地址寄存器的结构和数据缓冲寄存器、指令寄存器一样，通常使用单纯

8、的寄存器结构。信息的存入一般采用电位-脉冲方式，即电位输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时地将信息打入寄