第6章中央处理器
第6章 中央处理器
61中央处理器的功能和组成 中央处理器的功能 中央处理器简称CPU,它具有如下四方面的功 (1)程序的顺序控制 ·(2)操作控制产生取出并执行指令的微操作 信号,并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。 (3)时间控制对各种操作实施时间上的控制。 (4)数据加工对数据进行算术运算和逻辑运 算处理
6.1 中央处理器的功能和组成 中央处理器的功能和组成 • 1． 中央处理器的功能 • 中央处理器简称CPU，它具有如下四方面的功 能： • (1)程序的顺序控制。 • (2)操作控制 产生取出并执行指令的微操作 信号，并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。 • (3)时间控制 对各种操作实施时间上的控制。 • (4)数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运 算处理
2.中央处理器的组成 中央处理器由控制器、运算器和总线组 成 ·(1)控制器 控制器是全机的指挥中心,其基本功能 就是执行指令。 控制器由程序计数器PC、指令寄存器|R 地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、指 令译码器、时序系统和微操作信号发生 器组成
• 2. 中央处理器的组成 • 中央处理器由控制器、运算器和总线组 成。 • (1)控制器 • 控制器是全机的指挥中心，其基本功能 就是执行指令。 • 控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、 地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、指 令译码器、时序系统和微操作信号发生 器组成
①程序计数器PC 用以指出下条指令在主存中的存放地址, CPU根据PC的内容去主存取得指令。因 程序中指令是顺序执行的,所以PC有自 增功能。 ②指令寄存器(R):用来保存当前正在 执行的一条指令的代码。 ③地址寄存器(AR):用来存放当前CPU 访问内存单元的地址。 ④数据寄存器(DR):用来暂存由内存储 器中读出或写如入内存的指令或数据
• ① 程序计数器PC • 用以指出下条指令在主存中的存放地址， CPU根据PC的内容去主存取得指令。因 程序中指令是顺序执行的，所以PC有自 增功能。 • ② 指令寄存器(IR): 用来保存当前正在 执行的一条指令的代码。 • ③ 地址寄存器(AR): 用来存放当前CPU 访问内存单元的地址。 • ④ 数据寄存器(DR): 用来暂存由内存储 器中读出或写如入内存的指令或数据
⑤指令译码器:分别对操作码字段、寻 址方式字段、地址码字段进行译码,向 控制器提供操作的特定信号。 6时序部件:用来产生各种时序信号, 时序信号可分为CPU周期信号、节拍周 期信号和节拍脉冲信号,它们都是由统 时钟 CLOCK分频得到。 ⑦微操作形成部件:根据R的内容(指令) PSW的内容(状态信息)以及时序线路 方面的内容,产生控制整个计算机系统 所需的各种控制信号。其结构有组合逻 辑型和存储逻辑型
• ⑤ 指令译码器: 分别对操作码字段、寻 址方式字段、地址码字段进行译码，向 控制器提供操作的特定信号。 • ⑥ 时序部件: 用来产生各种时序信号， 时序信号可分为CPU周期信号、节拍周 期信号和节拍脉冲信号，它们都是由统 一时钟CLOCK分频得到。 • ⑦ 微操作形成部件: 根据IR的内容 (指令 ) 、 PSW的内容 (状态信息 )以及时序线路三 方面的内容，产生控制整个计算机系统 所需的各种控制信号。其结构有组合逻 辑型和存储逻辑型
(2)运算器 运算器由算术逻辑单元(ALU)、通用寄存器 程序状态字寄存器、数据暂存器、移位器等组 成。它接收从控制器送来的命令并执行响应的 动作,负责对数据的加工和处理 各组成部件的作用是: ①算术逻辑单元(ALU):用以进行双操作数的 算术逻辑运算。 ②通用寄存器组:用来存放操作数(包括源操作 数、目的操作数及中间结果)和各种地址信息等。 ③暂存器:用来暂存从主存储器读出的数据 这个数据是不能存放在通用寄存器中,否则会 破坏其原有的内容
• (2)运算器 • 运算器由算术逻辑单元(A L U )、通用寄存器、 程序状态字寄存器、数据暂存器、移位器等组 成。它接收从控制器送来的命令并执行响应的 动作，负责对数据的加工和处理。 • 各组成部件的作用是： · ① 算术逻辑单元(A L U ): 用以进行双操作数的 算术逻辑运算。 · ② 通用寄存器组: 用来存放操作数 (包括源操作 数、目的操作数及中间结果 )和各种地址信息等。 • ③ 暂存器: 用来暂存从主存储器读出的数据， 这个数据是不能存放在通用寄存器中，否则会 破坏其原有的内容
④程序状态字寄存器(PSW):保留由算术 逻辑运算指令或测试指令的结果建立的 各种状态信息 ⑤移位器:在ALU输出端设暂存器用来 存放运算结果,它具有对运算结果进行 移位运算的功能
· ④ 程序状态字寄存器(PSW) :保留由算术 逻辑运算指令或测试指令的结果建立的 各种状态信息。 · ⑤ 移位器：在ALU输出端设暂存器用来 存放运算结果，它具有对运算结果进行 移位运算的功能
(3)总线与数据通路结构 ①内部总线 CPU内部连节各寄存器的总线。 ②系统总线 系统总线是CPU与主存储器MM、外部设备接 口相联的总线,它包括地址总线、数据总线和 控制总线。 CPU向地址总线提供访问主存单元或MO接口 的地址。 CPU向数据总线发送或接收数据,以完成与 主存单元或/○接口之间的数据传送,主存M 和!/O设备之间也可以通过数据总线传送数据。 CPU通过控制总线向主存或/0设备发出有关 控制信号,或接收控制信号;1O没备也可以 向控制总线发出控制信号
• (3)总线与数据通路结构 • ① 内部总线 • CPU内部连节各寄存器的总线。 · ② 系统总线 • 系统总线是CPU与主存储器MM、外部设备接 口相联的总线，它包括地址总线、数据总 线和 控制总线。 • CPU向地址总线提供访问主存单元或I/O接口 的地址。 • CPU向数据总线发送或接收数据，以完成与 主存单元或I／O接口之间的数据传送，主存M 和I／O设备之间也可以通过数据总线传送数据。 • CPU通过控制总线向主存或I／0设备发出有关 控制信号，或接收控制信号；I／O没备也可以 向控制总线发出控制信号
62指令的执行 1.指令执行的周期 ·(1)取指周期 取指周期要解决两个问题:一是CPU到 哪个存储单元去取指令;二是如何形成 后继指令地址 指令地址由PC给出,取出指令后PC内容 递增;当出现转移情况时,指令地址在 执行周期被修改
6.2 指令的执行 • 1.指令执行的周期 • (1)取指周期 • 取指周期要解决两个问题：一是CPU到 哪个存储单元去取指令；二是如何形成 后继指令地址。 • 指令地址由PC给出，取出指令后PC内容 递增；当出现转移情况时，指令地址在 执行周期被修改
2)取操作数周期 ·取操作数周期要解决的问题是,计算操作数地 址并取出操作数。 操作数有效地址的形成由寻址方式确定。寻址 方式不同,有效地址获得的方式、过程不同, 提供操作数的途径也不同。因此,取操作数周 期所进行的操作对不同的寻址方式是不相同的。 (3)执行周期 执行周期的主要任务是完成由指令操作码规 定的动作,包括传送结果及记录状态信息。操 作结果送到什么地方由寻址方式确定;状态信 息,主要是条件码,记录在PSW中。若程序出 现转移时,则在执行周期内还要决定转移地址。 因此,执行周期的操作对不同指令也不相同
• (2)取操作数周期 • 取操作数周期要解决的问题是，计算操作数地 址并取出操作数。 • 操作数有效地址的形成由寻址方式确定。寻址 方式不同，有效地址获得的方式、过程不同， 提供操作数的途径也不同。因此，取操作数周 期所进行的操作对不同的寻址方式是不相同的。 • (3)执行周期 • 执行周期的主要任务是完成由指令操作码规 定的动作，包括传送结果及记录状态信息。操 作结果送到什么地方由寻址方式确定；状态信 息，主要是条件码，记录在PSW中。若程序出 现转移时，则在执行周期内还要决定转移地址。 因此，执行周期的操作对不同指令也不相同