第五章 中央处理器01（课件）《计算机原理》同步教学（清大版）

1 第五章 中央处理器 返回 2 目录 5.1CPU功能和组成 5.2指令周期 5.3时序产生器 5.4微程序控制器及其设计 5.5硬布线控制器及其设计 5.6传统CPU 5.7流水CPU 5.8RISC的CPU 5.9多媒体CPU 3 5.1 CPU的功能和组成 1、CPU的功能 指令控制（程序的顺序控制） 操作控制（一条指令有若干操作信号实现） 时间控制（指令各个操作实施时间的定时） 数据加工（算术运算和逻辑运算） 4 2、CPU的基本组成 RD/WR LDDR LDIR LDPC LDAR PC+1 5 2、CPU的基本组成 （1）中央处理器CPU=运算器+控制器 （2）运算器 ALU 累加器 暂存器 6 2、CPU的基本组成 （3）控制器 控制器组成：程序计数器、指令寄存器、数据缓冲器、地址寄存器、通用寄存器、状态寄存器、时序发生器、指令译码器、总线（数据通路） 程序计数器PC(Programming Counter) 用来存放正在执行的指令的地址或接着将要执行的下一条指令的地址。 顺序执行时，每执行一条指令，PC的值应加1 要改变程序执行顺序的情况时，一般由转移类指令将转移目标地址送往PC ，可实现程序的转移。 指令寄存器IR(Instruction Register)   指令寄存器用来存放从存储器中取出的待执行的指令。 在执行该指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化，以保证实现指令的全部功能。 7 2、CPU的基本组成 指令译码器ID(Instruction Decoder)    暂存在指令寄存器中的指令只有在其操作码部分经译码后才能识别出是一条什么样的指令。 译码器经过对指令进行分析和解释，产生相应的控制信号提供给时序控制信号形成部件。 机器周期、工作节拍、脉冲及启停控制线路   由脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲 时序控制信号形成部件   时序控制信号形成部件又称微操作信号发生器，真正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的。 8 2、CPU的基本组成 地址形成部件   根据指令的不同寻址方式，用来形成操作数的有效地址 功能就是指令流出的控制，实质上就是对取指令的控制。 指令分析与执行的控制，对指令流中的每条指令进行分析解释，根据指令的操作性质和寻址方式形成操作数的地址，然后根据该操作数的地址找到相应的存储单元，并从中取出指令执行过程中要用到的操作数，最后还要形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器及输入／输出设备的动作，来实现这条指令的功能。 指令流向的控制，指令流向的控制即下条指令地址的形成控制。 数据缓冲器、状态条件寄存器 9 3、CPU中的主要寄存器 DR缓冲寄存器/地址寄存器AR 中转站 补偿速度差别 IR指令寄存器 PC程序计数器 AC 内存 或I/O 指令 数据 DR 指令 数据 10 4、操作控制器和时序产生器 （1）数据通路 （2）操作控制器：为数据通路的建立提供各种操作信号。操作信号提供的依据是指令操作码和时序信号，主要有三种类型： 组合类型 存储类型 混合类型 11 4、操作控制器和时序产生器 硬布线控制器  硬布线控制器，它是采用组合逻辑技术来实现的，其时序控制信号形成部件是由门电路组成的复杂树形网络。这种方法是分立元件时代的产物，以使用最少器件数和取得最高操作速度为设计目标。 组合逻辑控制器的最大优点是速度快，但是时序控制信号形成部件的结构不规整，使得设计、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。 12 4、操作控制器和时序产生器 微程序控制器   微程序控制器是采用存储逻辑来实现的，也就是把微操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序并存入一个专门的存储器(控制存储器)中，微操作控制信号由微指令产生。 微程序控制器的设计思想和组合逻辑设计思想截然不同。它具有设计规整、调试、维修以及更改、扩充指令方便的优点，易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。但是，由于它增加了一级控制存储器，所以指令执行速度比组合逻辑控制器慢。 组合逻辑和存储逻辑结合型    这种控制器称为PLA控制器，它是吸收前两种的设计思想来实现的。 13 4、操作控制器和时序产生器 时序产生器：提供定时和时序信号 14 15 5.2指令周期 5.2.1 指令周期的基本概念 5.2.2 典型指令的指令周期 5.2.3 用方框图语言表示指令周期 16 5.2 指令周期 17 5.2.1 指令周期的基本概念 概念 指令周期：指取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间。 各种指令的指令周期相同吗？为什么？ 机器周期通常又称CPU周期， 通常把一条指令周期划分为若干个