3.1 中央处理单元的功能及组成（课件）-《计算机原理》(电工版第五版) 同步精品课堂

计算机原理 -第12课时- 电工版第五版 中央处理单元的功能及组成 教学目标 了解中央处理单元（CPU）的定义和分类 掌握 CPU 的功能 熟悉 CPU 的组成部分及各部分的作用 教学重难点 CPU 的功能（指令控制、操作控制、时间控制、数据加工） CPU 的组成（算术逻辑运算单元、指令控制单元、寄存器组等） 理解 CPU 各功能之间的协同工作方式 让我们一起开启单片机的学习之旅。 导入新课 在计算机系统中，中央处理单元（CPU）就像是计算机的 “大脑”，它掌控着计算机的一切运行。 CPU 到底是什么？ 它有哪些功能和组成部分呢？ 让我们一起揭开 CPU 的神秘面纱。 新知讲授 认识中央处理单元 中央处理单元（CPU，Central Processing Unit）是计算机系统的核心部件，根据 CPU 一次能处理的二进制数据的位数（字长）来分类，如 8 位 CPU（Z80）、16 位 CPU（8086/8088、80286）等。 现在很多 CPU 还有自己的品牌名称，如 “奔腾”“酷睿”“至强” 等。 什么是中央处理单元 新知讲授 CPU 的功能 当程序指令装入内存储器后，CPU 用来自动完成取指令和执行指令的任务。 CPU 的功能：①指令控制 ②操作控制 ③时间控制 ④数据加工 CPU 的功能 新知讲授 CPU 的功能 计算机中有如此多的组件，CPU是如何“管理”它们工作的呢？请看视频。 新知讲授 指令控制 指令控制指 CPU 对程序的顺序控制，程序是指令序列，指令顺序不能任意改变，保证机器按顺序执行程序是 CPU 的首要任务。完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制。 一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。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。 CPU 的功能 操作控制 新知讲授 时间控制 CPU 对各种操作实施时间上的控制，各种指令的操作信号和整个执行过程都受时间严格控制，确保计算机有条不紊自动工作。时间控制要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号 对数据进行算术和逻辑运算。数据加工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是 CPU 的根本任务。 CPU 的功能 数据加工 新知讲授 CPU 的概述 中央处理单元简称CPU，CPU 是英文Central Processing Unit 的缩写。CPU 主要由3 部分组成：运算器、寄存器和控制器。 CPU 的组成 图中 所示是典型的中央处理单元组成方框图，各单元电路可以归纳成为3 类：一是算术逻辑运算部件，二是控制逻辑部件，三是寄存器部件，它们都挂在内部总线上。CPU 对外引出端分别为地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）。 新知讲授 CPU 的组成 - 算术逻辑运算单元（ALU） 算术逻辑单元（Arithmetic&logical Unit）是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由"And Gate"（与门） 和"Or Gate"（或门）构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)。 CPU 的组成 ALU是数据加工处理中心，由算术逻辑部件、通用寄存器组和状态寄存器组成。 新知讲授 算术逻辑运算单元 - 算术逻辑部件 算术逻辑部件完成二进制信息的各种运算，包括算术运算（加、减、增量、减量、比较、求反、求补等，部分可进行乘、除运算）和逻辑运算（逻辑与、或、非、异或，移位、循环移位等）。 ALU 支持三大类功能，具体如下，且其支持的功能总数决定了控制信号的位数 CPU 的组成 新知讲授 算术逻辑运算单元 - 通用寄存器组 寄存器是CPU内部的高速存储资源，用于暂存指令、数据和地址等信息。它们是CPU中最快的存储部件。与ALU协同工作，提供操作数和接收结果。 原理：A+B通过半加器的结果和C进入下一个半加器，再用OR门判断是否进位 CPU 的功能 新知讲授 指令控制单元 指令控制单元是计算机的控制器，是控制中心，决定计算机运行过程的自动化，包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑及中断控制逻辑等。 CPU 的组成 - 指令控制单元 新知讲授 CPU 的组成 - 指令控制单元 - 指令控制逻辑 功能：解析从指令寄存器（IR）中读取的指令，确定操作类型与操作数来源。 操作码解析：识别指令类型（如加法 ADD、跳转 JMP）。 操作数解析：确定操作数的寻址方式（如寄存器寻址、立即数寻址）。 示例： 指令 ADD R1, R2, R3 译码后，控制单元确定需执行加法操作，操作数来自寄存器 R2 和 R3，结果存入 R1。 指令控制单元 新知讲授 CPU 的组成 - 指令控制单元 - 时序控制逻辑 功能：根据时钟信号生成时序脉冲，确保各操作按严格时间顺序执行。 时钟周期划分：将指令执行分解为多个阶段（如五级流水线的取指、译码、执行、访存、写回）。 同步协调：保证 ALU、寄存器、内存等部件在正确的时间点接收控制信号。 示例： 在“取指”阶段，控制单元发出信号，允许程序计数器（PC）将地址送入总线，同时启动内存读取操作。 指令控制单元 新知讲授 CPU 的组成 - 指令控制单元 - 中断控制逻辑 功能：响应内部异常（如除零错误）和外部中断（如键盘输入），暂停当前任务并跳转至处理程序。 处理流程： 保存当前程序计数器（PC）和状态寄存器（PSW）。 加载中断服务程序（ISR）的入口地址到 PC。 ISR 执行完毕后恢复原上下文。 指令控制单元 示例： 当硬盘完成数据读取时，触发中断，控制单元暂停当前指令流，转而执行硬盘中断服务程序。 新知讲授 寄存器组概述 寄存器是 CPU 内部高速存储单元，分不面向用户和面向用户（可编程序寄存器），用于存放临时数据或地址，有数据准备、调度和缓冲作用，可缩短指令长度和执行时间。在 CPU 的组成 - 寄存器组 CPU中至少要有六类寄存器：指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、数据寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、程序状态字寄存器（PSW）。 新知讲授 寄存器组 - 通用寄存器 通用寄存器在处理器中数量较多、使用频度较高，具有多种用途。例如它们可用来存放指令需要的操作数据，又可用来存放地址以便在主存或I/O接口中指定操作数据的位置。 CPU 的组成 - 寄存器组 新知讲授 寄存器组 - 地址寄存器 地址寄存器（Address Register，AR）用来保存CPU当前所访问的主存单元的地址。 CPU 的组成 - 寄存器组 由于在主存和CPU之间存在操作速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来暂时保存主存的地址信息，直到主存的存取操作完成为止。 当CPU和主存进行信息交换，即CPU向主存存入数据/指令或者从主存读出数据/指令时，都要使用地址寄存器和数据寄存器。 寄存器组 - 标志寄存器 标志寄存器保存算术和逻辑运算结果的状态码（如 CF、OF、ZF 等）及中断和系统工作状态信息，是表示各种标志和状态的寄存器。 新知讲授 单CPU 控制系统 图中所示是某影碟机的整机控制系统方框图，从图中可看出，整个机器中只使用了一只微控制器，所以这是单CPU 控制系统。在这种单CPU 控制系统中，微控制器要完成整机所有的控制任务，这样对输入/ 输出接口、内部程序存储器等硬件和控制软件程序的要求比较高。 CPU 控制系统——单CPU 控制系统 新知讲授 多CPU 控制系统 图中所示是多CPU 控制系统方框图，从图中可看出，在这一控制系统中使用主CPU和从CPU，由主CPU 指挥和控制从CPU，这样从CPU 分担了一些主CPU 的控制功能。采用这种控制方式后，可以降低对主CPU、从CPU 的硬件和软件要求。 CPU 控制系统——多CPU 控制系统 新知讲授 CPU 识图小结 一台电子电器中，可能只用到一个CPU，也会出现多CPU结构形式，这就是为了降低对CPU过高的性能要求，以提高CPU的性能价格比。 CPU的应用配置 微控制器中的CPU主要由运算器、寄存器和控制器组成。运算器主要进行各种数据的算术逻辑运算，它的具体作用相当于一个“算盘”；寄存器用来存储各种有关信息，它的作用相当于“纸张”；控制器是一个总指挥，它在微控制器系统中相当于“人脑”。 CPU的基本组成 对CPU的结构要了解，对它的各部件具体作用要清楚。在实用的整机电路图中，一般情况下不会画出CPU的结构方框图，此时只有通过对CPU内部结构和各部件电路作用的了解来理解CPU的工作过程。 CPU的工作理解 02 01 03 CPU的结构与功能解析 随堂检测1 简述 CPU 的主要功能。 答案：CPU 具有指令控制、操作控制、时间控制和数据加工 4 方面功能。指令控制保证程序按顺序执行；操作控制管理并产生指令操作信号；时间控制对操作实施时间控制；数据加工对数据进行算术和逻辑运算处理。 算术逻辑运算单元（ALU）由_____、_____和_____组成？ 答案：算术逻辑部件、通用寄存器组、状态寄存器 练一练 随堂检测2 指令控制单元包括_____、_____、_____和_____等。 答案：指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断控制逻辑。 通用寄存器和地址寄存器的作用有什么不同？ 答案：通用寄存器可存放数据和地址，使用频率高，用于调度数据，累加器是常用通用寄存器；地址寄存器主要存放当前 CPU 要访问的内存地址，用于内存寻址操作，可形成各种寻址方式。 练一练 随堂检测3 计算机执行 “计算 10 + 20 并输出结果” 的操作时，CPU 的时间控制功能会发挥什么作用？ 答案：时间控制功能会通过内部时钟产生时序信号，为 “读取 10 和 20 数据”“送入 ALU 执行加法运算”“将结果送入寄存器”“输出结果” 等每个步骤分配明确时间窗口（如读取数据占 2 个时钟周期、加法运算占 3 个时钟周期），确保内存、ALU、寄存器等部件动作在时间上匹配，避免数据读取错误或运算冲突。 练一练 随堂检测4 状态寄存器中的 “零位” 在什么情况下会置位？该状态位可支持程序实现什么逻辑功能？ 答案：当算术逻辑运算单元（ALU）执行运算后，结果为 0 时，状态寄存器的 “零位” 会自动置位（设为 1）；该状态位可作为转移指令的判断条件，支持程序实现分支逻辑（如 “若运算结果为 0，则跳转到数据重置指令”）或循环逻辑（如 “若计数器减至 0，则结束循环”）。 练一练 师生互动 1 结合 CPU 四大功能（指令控制、操作控制、时间控制、数据加工）的协同关系，分析 “计算机运行游戏时，CPU 如何保障游戏画面流畅刷新和操作指令及时响应”？ 课题小结 1. CPU 的功能 中央处理单元的功能及组成 2. CPU 的组成 算术逻辑运算单元（ALU） 指令控制单元 指令控制 操作控制 时间控制 数据加工 通用寄存器 地址寄存器 标志寄存器 3. 寄存器组 谢谢观看 THANKS Lavf58.46.101 Lavf58.46.101 $