计算机组成原理第六章CPU的结构和功能

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1、学时：4学时重点：掌握CPU的基本结构和基本功能 中 央 处 理 器 CPU的功能和组成指令周期时序产生器和控制方式 中 央 处 理 器什 么 是 CPU？ 所 谓 中 央 处 理 器 是 控 制 计 算 机 来 自 动 完 成 取 出 指令 和 执 行 指 令 任 务 的 部 件 。 它 是 计 算 机 的 核 心 部 件 ，通 常 简 称 为 CPU。 中 央 处 理 器 CPU的功能 指 令 控 制 ： 就 是 保 证 机 器 按 规 定 的 顺 序 执 行 程 序 操 作 控 制 ： CPU管 理 并 产 生 由 内 存 取 出 的 每 条 指 令 的 操 作 信 号 ， 并把 各 种

2、 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 控 制 ， 称 为 时 间 控 制 。 数 据 加 工 ： 所 谓 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 ， 这 是 CPU的 根 本 的 任 务 。 中 央 处 理 器CPU的基本组成 中 央 处 理 器 由 两 个 主 要 部 分 控 制 器 和 运 算 器组 成 。 中 央 处 理 器控制器 由 程 序 计 数

3、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 。 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 控 制 信 号 。3.指 挥 并 控 制 CPU， 内 存 和 I/O之 间 的 数 据 流 动 的 方 向 。 中 央 处 理 器运算器 由

4、 算 术 逻 辑 单 位 （ 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 的 主 要 功 能 ： 1.执 行 所 有 的 算 术 运 算 。2.执 行 所 有 的 逻 辑 运 算 。 中 央 处 理 器算 术 逻 辑 单 元状 态

5、条 件 寄 存 器程 序 记 数 器 PC 地 址 寄 存 器 AR地 址 总 线 ABUS 数 据 总 线 DBUS累 加 器 AC缓 冲 寄 存 器 DR存 储 器 I/OCPU ALU 指 令 寄 存 器 IR指 令 译 码 器操 作 控 制 器时 序 产 生 器 时 钟状 态反 馈取 指控 制 执 行控 制c cccc 中 央 处 理 器 CPU的主要寄存器1.累 加 寄 存 器 AC 累 加 寄 存 器 AC通 常 简 称 为 累 加 器 ， 它 的 功 能 是 ： 当 运 算器 的 算 术 逻 辑 单 元 （ ALU） 执 行 全 部 算 术 和 逻 辑 运 算 时 ， 为ALU提

6、 供 一 个 工 作 区 。 累 加 寄 存 器 是 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 。 2.状 态 条 件 寄 存 器 PSW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 ， 同 时 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

7、 寄 存 器 是一 个 由 各 种 状 态 条 件 标 志 拼 凑 而 成 的 寄 存 器 。 中 央 处 理 器3. 程 序 计 数 器 PC 程 序 计 数 器 中 存 放 的 是 下 一 条 指 令 在 内 存 中 的 地 址 。 4. 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 。 中 央 处 理 器5. 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

8、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 。 6. 缓 冲 寄 存 器 DR 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 缓 冲 寄 存 器 中 。 中 央 处 理 器操作控制器和时序产生器1. 数 据 通 路 ： 通 常 把 许 多 寄 存 器 之 间 传 送 信 息 的 通 路 ，称 为 “ 数 据 通 路 ” 。2. 操 作 控

9、 制 器 ： 根 据 指 令 操 作 码 和 时 序 信 号 ， 产 生 各 种操 作 信 号 ， 以 便 正 确 建 立 数 据 通 路 ， 从 而 完 成 取 指 令 和执 行 指 令 的 操 作 。3. 时 序 产 生 器 ： 因 为 计 算 机 高 速 地 进 行 工 作 ， 每 一 个 动作 的 时 间 是 非 常 严 格 的 ， 不 能 有 任 何 差 错 。 时 序 产 生 器的 作 用 ， 就 是 对 各 种 操 作 实 施 时 间 上 的 控 制 。 中 央 处 理 器程序的执行过程： 冯 . 诺 依 曼 结 构 的 计 算 机 执 行 程 序 的 顺 序 ： 1. 正 确

10、从 程 序 首 地 址 开 始 . 2. 正 确 分 步 执 行 每 一 条 指 令 ， 并 形 成 下 条 待执 行 指 令 的 地 址 . 3.正 确 并 自 动 地 连 续 执 行 指 令 ， 直 到 程 序 的 最后 一 条 指 令 . 中 央 处 理 器读取指令指令地址送入主存地址寄存器读主存，读出内容送入指定的寄存器分析指令按指令规定内容执行指令不同指令的操作步骤数和具体操作内容差异很大检查有无中断请求 若无，则转入下一条指令的执行过程形成下一条指令地址指 令 的 执 行 过 程 中 央 处 理 器指令周期的基本概念1. 指 令 周 期 ： CPU每 取 出 并 执 行 一 条 指

11、 令 ， 都 要 完 成 一 系 列的 操 作 ， 这 一 系 列 操 作 所 需 用 的 时 间 通 常 叫 做 一 个 指 令周 期 。 2. 机 器 周 期 ： 指 令 周 期 常 常 用 若 干 个 CPU周 期 数 来 表 示 ，CPU周 期 也 称 为 机 器 周 期 。3. 时 钟 周 期 ： 由 于 CPU内 部 的 操 作 速 度 较 快 ， 而 CPU访 问 一次 内 存 所 花 的 时 间 较 长 ， 因 此 通 常 用 内 存 中 读 取 一 个 指令 字 的 最 短 时 间 来 规 定 CPU周 期 。 而 一 个 CPU周 期 时 间 又包 含 有 若 干 个 时

12、钟 周 期 （ 通 常 称 为 节 拍 脉 冲 或 T周 期 ， 它 是 处 理 操 作 的 最 基 本 单 位 ） 。 这 些 时 钟 周 期 的 总 和 则 规定 了 一 个 CPU周 期 的 时 间 宽 度 。 中 央 处 理 器指 令 周 期T周 期 CPU周 期CPU周 期T1 T2 T3 T4（ 取 指 令 ） （ 执 行 指 令 ） 中 央 处 理 器 中 央 处 理 器 中 央 处 理 器取指周期 中 央 处 理 器间址周期 中 央 处 理 器执行周期许多类型主要是涉及到处理器内部的寄存器可能的操作有数据传输 ALU控制指令的处理 中 央 处 理 器中断周期 中 央 处 理 器

13、 下 面 以 一 个 简 单 的 程 序 来 具 体 认 识 每 一 条 指 令 的 指令 周 期 和 执 行 过 程 。 内 存 地 址 内 存 内 容 助 记 符 所 完 成 的 操 作020 250 000 CLA 将 累 加 器 的 内 容 请 零 021 030 030 ADD 30 （ A） +（ 30） A022 021 040 STA 40 （ A） （ 40）023 000 000 NOP024 140 021 JMP 21 21PC 030 000 006 031 040 存 和 数 单 元 中 央 处 理 器 CLA指令的指令周期非 访 内 指 令 需 要 两 个 CPU

14、周 期 。 在 第 一 个 CPU周 期 ， 即 取 指 令阶 段 ， CPU完 成 三 件 事 ： （ 1） 从内 存 取 出 指 令 ； （ 2） 对 程 序 计 数器 PC加 1， 以 便 为 取 下 一 条 指 令做 好 准 备 ； （ 3） 对 指 令 操 作 码 进行 译 码 或 测 试 ， 以 便 确 定 进 行 什么 操 作 。 在 第 二 个 CPU周 期 ， 即 执 行 指 令 阶 段 ， 将 累 加 器 A的 内 容清 零 。 一 个 CPU周 期 一 个 CPU周 期取 指 令 阶 段 执 行 指 令 阶 段开 始 取 指 令PC+1对 指 令译 码 执 行指 令 取

15、下 条 指 令PC+1 中 央 处 理 器算 术 逻 辑 单 元状 态 条 件 寄 存 器程 序 记 数 器 PC 地 址 寄 存 器 AR地 址 总 线 ABUS 数 据 总 线 DBUS累 加 器 AC 缓 冲 寄 存 器 DRCPU ALU 指 令 寄 存 器 IR指 令 译 码 器操 作 控 制 器时 序 产 生 器 时 钟状 态反 馈取 指控 制 执 行控 制c ccc+1000 020 2021222324303140 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020 CLA CLA1 中 央 处 理 器算 术 逻 辑 单 元状 态 条 件 寄 存 器程

16、 序 记 数 器 PC 地 址 寄 存 器 AR地 址 总 线 ABUS 数 据 总 线 DBUS累 加 器 AC 缓 冲 寄 存 器 DRCPU ALU 指 令 寄 存 器 IR指 令 译 码 器操 作 控 制 器时 序 产 生 器 时 钟状 态反 馈取 指控 制 执 行控 制c ccc+12021222324303140 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 020 CLA CLA000 021 中 央 处 理 器 ADD指令的指令周期 ADD指 令 的 指 令 周 期 由 三 个CPU周 期 组 成 。第 一 个 CPU周 期 为 取 指 令 阶 段 。第

17、 二 个 CPU周 期 中 将 操 作 数 的 地址 送 往 地 址 寄 存 器 并 完 成 地 址 译码 。在 第 三 个 CPU周 期 中 从 内 存 取 出 操 作 数 并 执 行 相 加 的 操 作 。 中 央 处 理 器一 个 CPU周 期 一 个 CPU周 期 取 指 令 阶 段 执 行 指 令 阶 段开 始 取 指 令PC+1对 指 令译 码 送 操 作 数地 址 取 下 条 指 令PC+1取 出 操 作 数执 行 加操 作一 个 CPU周 期 中 央 处 理 器算 术 逻 辑 单 元状 态 条 件 寄 存 器程 序 记 数 器 PC 地 址 寄 存 器 AR地 址 总 线 AB

18、US 数 据 总 线 DBUS累 加 器 AC 缓 冲 寄 存 器 DRCPU ALU 指 令 寄 存 器 IR指 令 译 码 器操 作 控 制 器时 序 产 生 器 时 钟状 态反 馈取 指控 制 执 行控 制c ccc+12021222324303140 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 021 ADD ADD 30000 02120 030 000 0060+6=6000 006 中 央 处 理 器 STA指令的指令周期 STA指 令 的 指 令 周 期 由 四 个 CPU周 期 组 成 。 其 中 第 一个 CPU周 期 仍 然 是 取 指 令 阶

19、段 ， 其 过 程 和 CLA指 令 、 ADD指令 完 全 一 样 ， 不 同 的 是 此 阶 段 中 程 序 计 数 器 加 1后 变 为023， 因 而 为 取 第 四 条 指 令 做 好 了 准 备 。 我 们 假 定 ， 第 一个 CPU周 期 后 结 束 ， “ STA 40”指 令 已 放 入 指 令 寄 存 器 并完 成 译 码 测 试 。 中 央 处 理 器算 术 逻 辑 单 元状 态 条 件 寄 存 器程 序 记 数 器 PC 地 址 寄 存 器 AR地 址 总 线 ABUS 数 据 总 线 DBUS累 加 器 AC 缓 冲 寄 存 器 DRCPU ALU 指 令 寄 存

20、器 IR指 令 译 码 器操 作 控 制 器时 序 产 生 器 时 钟状 态反 馈取 指控 制 执 行控 制c ccc+120212223243040 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 022 STA STA 40000 02230 040 000 006000 006000 006 中 央 处 理 器 NOP指令和JMP指令的指令周期 NOP指 令 是 一 条 空 指 令 ， 包 含 两 个 CPU周 期 ， 第 一 个 周期 取 指 令 ， 第 二 个 周 期 执 行 指 令 ， 因 是 空 指 令 ， 所 以 操 作控 制 器 不 发 出 任 何 控

21、制 信 号 。 JMP指 令 由 两 个 CPU周 期 组 成 ， 第 一 个 周 期 是 取 指 令 周期 ， 同 其 他 指 令 。 第 二 个 周 期 为 执 行 阶 段 ， CPU把 指 令 寄存 器 中 的 地 址 码 部 分 21送 到 程 序 计 数 器 ， 从 而 用 新 内 容 21代 替 PC原 先 的 内 容 25， 这 样 ， 下 一 条 指 令 将 不 从 25单 元 中读 出 ， 而 从 21电 源 开 始 读 出 并 执 行 ， 从 而 改 变 了 程 序 原 先 的 执 行 顺 序 。 中 央 处 理 器算 术 逻 辑 单 元状 态 条 件 寄 存 器程 序 记

22、 数 器 PC 地 址 寄 存 器 AR地 址 总 线 ABUS 数 据 总 线 DBUS累 加 器 AC 缓 冲 寄 存 器 DRALU 指 令 寄 存 器 IR指 令 译 码 器操 作 控 制 器时 序 产 生 器 时 钟状 态反 馈取 指控 制 执 行控 制c ccc+120212223243040 CLAADD 30STA 40NOPJMP 21000 006000 024 JMP 21 JMP 21000 0240 021 000 006000 00651 中 央 处 理 器用方框图语言表示指令周期 在进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示一条指令的指令周期。 一个方框代表一个C

23、PU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制。 一个菱形符号代表某种判别或测试，不过时间它依附于它前面一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。 符号“”代表一个公操作 。 中 央 处 理 器PCAR ABUSDBUS DR IRPC +1译 码 或 测 试 0 AC IR AR IR AR IR PCPCARAR ABUSDBUS DRRDALUALUAC AR ABUSACDRDRDBUS CLA ADD STA JMP NOP 中 央 处 理 器小结：各类信息的传送路径指令：M-DR-DBUS-IR地址：PC-ABUS-AR-（取决于寻址方式）数据：寄存器-寄存器 总线直接

24、传送寄存器-存储器 Ri-DBUS-DR-M存储器-寄存器 M-DR-BUS-Ri 中 央 处 理 器例：如图所示为双总线结构机器的数据通路，控制信号G控制的是一个门电路。1.“ADD R2，R0” 指令完成（R0）+（R2）R0功能操作。假设该指令的地址已放入 PC中。2.“SUB R1，R3”指令完成（R3）-（R1）R3的功能操作 。 中 央 处 理 器IR PC AR DR R0R1R2R3M AB ALUIR iIRo PCiPCi ARi DRiDRo R0iR0o R3iR3o XiYiA总 线B总 线 G+ -R/W 中 央 处 理 器PCARMDRDRIRR2YR0X R0+

25、R2R0 PCARMDRDRIRR3YR1XR3-R1R3PC0， G， ARiDR0， G， IRiR2o， G， YiR00， G， Xi+， G， R0I R/W=R R3o， G， YiR1o， G， Xi-， G， R3i 中 央 处 理 器时序信号的作用和体制计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号来体现的。操作控制器发出的各种控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部件位置）的函数。组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是电位-脉冲制。 中 央 处 理 器常用的操作控制器有两种：硬布线控制器微程序控制器 中 央 处 理 器硬布线控制器中时序信号采用主

26、状态周期节拍电位节拍脉冲 三级体制微程序控制中时序信号采用节拍电位节拍脉冲二级体制。 中 央 处 理 器主状态周期（指令周期）：包含若干个节拍周期，可以用一个触发器的状态持续时间来表示。节拍电位（机器周期）：包含若干个节拍脉冲，表示较大的时间单位。节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时间单位。 中 央 处 理 器时序信号产生器的组成时钟源环形脉冲发生器节拍脉冲和读/写时序的译码启停控制逻辑 中 央 处 理 器启 停 控 制 逻 辑节 拍 脉 冲 和 对 时 序 译 码 逻 辑环 形 脉 冲 发 生 器 IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4 IORQ MREQ RD WE T1 T

27、2 T3 T4MERQIORQ RDWR 时 钟 脉 冲 源 时 钟 脉 冲 源环 形 脉 冲 发 生 器节 拍 脉 冲 和 对 时 序 译 码 逻 辑启 停 控 制 逻 辑用 来 位 环 形 脉 冲 发 生 器 提 供 频 率 稳定 且 电 平 匹 配 的 方 波 时 钟 脉 冲 信 号 。有 石 英 晶 体 振 荡 器 组 成 。产 生 一 组 有 序 的间 隔 相 等 或 不 等的 脉 冲 序 列 。 通常 采 用 循 环 移 位寄 存 器 。 中 央 处 理 器控制方式同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不变的。采用完全统一的机器周期执行各

28、种不同的指令。这意味这所有指令周期具有相同的节拍电位和相同的节拍脉冲数。采用不定长的机器周期。中央控制和局部控制相结合。中央控制：就是将大部分指令安排在固定的机器周期完成。局部控制：对少数复杂的指令采用另外的时序进行定时。 中 央 处 理 器同 步 控 制 方 式 ：时 钟微 操 作 信 号 1 微 操 作 信 号 2 中 央 处 理 器异步控制方式： 每条指令、每个操作控制信号 需要多少时间就占用多少时间。这意味着每条指令的指令周期可由多少不等的机器周期数组成。 中 央 处 理 器异步控制方式命 令 1命 令 2操 作 信 号 1回 答 1操 作 信 号 2 回 答 2命 令 3 中 央 处 理 器联合控制方式： 将同步控制方式和异步控制方式相结合的方式。 中 央 处 理 器控制器的组成：指令部件程序计数器PC指令寄存器指令译码器时序部件脉冲源及启停逻辑时序信号形成部件微操作信号形成部件中断控制逻辑 中 央 处 理 器程 序 计 数 器 PC地 址 形 成 部 件 操 作 码 地 址 码译 码微 操 作 信 号 形 成节 拍 发 生 器时 钟 源中 断 控 制 逻 辑状 态 寄 存 器 微 操 作 信 号I/O信 息控 制 台 信 息 +1送 AR