第6章 中央处理器 （课件）《计算机原理》同步教学（高教版）

第6章 中央处理器 知识目标 理解CPU的功能； 了解CPU的基本组成； 掌握两种时序控制方式； 理解指令周期的基本概念； 掌握微程序控制器的基本概念及组成原理； 了解当前最先进的CPU技术。 引言 计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。随着集成电路的出现及其集成度的提高，设计者将控制器和运算器集成在一片集成电路上，称作微处理器，通常称之为中央处理部件CPU。CPU是计算机的核心部件。本章介绍CPU的功能和基本组成，指令周期的概念，微程序控制器及当前最先进的CPU技术。 6.1 CPU的功能及组成 6.1.1 CPU的功能 CPU的功能就是控制各部件协调工作，具体归结为以下四个方面。 1．指令控制 2．操作控制 3．时间控制 4．数据加工 6.1 CPU的功能及组成 6.1.2 CPU的组成 1．程序计数器(PC) 程序计数器的功能就是用来确定下一条指令在主存中的地址。当CPU取得当前要执行的指令后，通过修改程序计数器中的值来确定下一条指令在主存中的存放地址。 2．缓冲寄存器(DR) 缓冲寄存器用来暂时存放CPU从主存读来的一条指令字或一个数据字。当CPU要将数据传送给主存时，亦先将数据保存到缓冲寄存器中。 6.1 CPU的功能及组成 3．指令寄存器(IR) 指令寄存器用来保存当前CPU正在执行的一条指令。 4．地址寄存器(MAR) 地址寄存器用来保存当前CPU所要访问的主存单元或I/O端口的地址，是CPU与内存或外设之间的地址缓冲寄存器。 6.1 CPU的功能及组成 5．累加寄存器(AC) 累加寄存器简称累加器 ，累加器为算术逻辑单元(ALU)提供一个操作数，并用来保存操作的结果。 6．状态寄存器 状态寄存器用来保存算术运算指令、逻辑运算指令及各类测试指令的状态结果，为后续指令的执行提供判断条件。 6.2 时序 计算机的工作过程是执行指令的过程。一条指令的读取和执行过程常常需分成读取指令、读取源操作数、读取目的操作数、运算、存放结果等步骤。这就需要一种时间划分的信号标志，如周期、节拍等。同一条指令，在不同时间发送不同的微操作命令，做不同的事，其依据之一就是不同的周期、节拍信号。CPU的许多操作都需要严格的定时控制，比如在规定的时刻将已经稳定的运算结果打入某个寄存器，这就需要定时控制的同步脉冲。计算机系统中产生周期节拍、脉冲等时序信号的部件称为时序发生器。对于时序发生器及时序的概念在前面第二章有专门的叙述。下面着重叙述时序控制方式、多级时序的建立和典型的指令周期。 6.2.2 多级时序的建立 1．时序划分层次 (1)指令周期 读取并执行一条指令所需的时间称为一个指令周期。不同类型的指令，其指令周期的长短可以不同。通常，以开始取指令作为一个指令周期的开始，即上一个指令周期的结束。有的CPU设置有专门的取指标志，但一般都不在时序系统中为指令周期设置完整的时间标志信号，因此一般不将指令周期视为时序的一级。 (2)CPU工作周期 在组合逻辑控制器中常将指令周期划分为若干个工作阶段，如取指令、读取源操作数、读取目的操作数、执行等阶段。在不同工作阶段中完成不同的操作，依据的指令代码段也各不相同。例如，在读取源操作数时，依据的是指令中源地址代码；而在读取目的操作数时，依据的是目的地址段代码；在执行阶段，则依据指令的操作码段。为此，在时序系统中划分若干种工作周期，以对应不同工作阶段所需的操作时间，例如取指周期、源周期、目的周期，执行周期等。在有的机器中将工作周期这一级称为机器周期，或称为基本周期。 (3)时钟周期(节拍) 一个工作周期的操作可能需要分成几步完成，例如按变址方式读取操作数，先要进行变址运算才能访存读取。所以在同步控制方式中，时序系统需按固定时间分段设置时钟周期。每个时钟周期(又称为一拍)完成一步操作，如一次传送、加减等，这是时序系统中最基本的时间分段。各时钟周期长度相同，一个工作周期可根据其需要，由若干个时钟周期组成。不同工作周期，或不同指令中的同一种工作周期，其时钟周期数目可以不同。 确定一个时钟周期的长度有两种设计策略。 6.3 指令周期 6.3.1 指令周期的基本概念 CPU要执行的指令及处理的数据均存放在主存中，指令和数据都以二进制编码表示，因此，从形式上看，数据和指令很难区别。然而，CPU却能区分出哪些是指令，哪些是数据，根据指令的操作要求对数据实现处理。CPU之所以能自动地执行指令，是因为它能按程序中的指令序列取指令，并对指令进行译码、执行。CPU在执行程序的过程中，先按程序记数器(PC)的值从主存中一条指令，然后译