[工学]第五章 中央处理器CPU.ppt

第五章 中央处理器CPU 计算机的工作过程是： 加电——产生RESET信号——执行程序——停机——断电。 计算机硬件的核心部件是CPU，它指挥计算机各硬件部件协同工作；而CPU的基本功能就是取指令并执行；CPU的全部设计都是围绕着指令系统来进行的。计算机中的所有工作全部都是通过指令系统中的指令来实现的。 5.1 CPU的功能和组成 5.1.1 CPU的功能 取指令并执行是CPU的基本任务，而这项任务的完成要依赖计算机其它部件的支持。具体讲，CPU应具有以下4方面的功能： ①指令控制 即控制程序按顺序执行。这是CPU的首要任务。 ②操作控制 一条指令的功能通常是由若干个操作控制信号的组合来实现，CPU管理并产生每条指令的操作控制信号，并将它们送往相应的部件。 ③时间控制 由于各种操作在时间上是有序的，CPU应对各种操作实施时间上的定时。 ④数据加工 对数据进行算术和逻辑运算。 5.1.2 CPU组成 传统的CPU由两大部分组成，即运算器和控制器。 但现在，随着集成电路技术的发展，早期放在CPU芯片外的一些逻辑功能部件，纷纷移入CPU内，因而使CPU的内部组成越来越复杂。 目前CPU基本上可看成由运算器、Cache和控制器三大部分组成。 为教学目的，我们这里以执行指令为主线来介绍CPU，把它看成是运算器＋控制器，而且使用一个最基本的CPU模型。 其基本构成如下： ·运算器：由ALU单元、通用寄存器、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，受控制器控制。 ·控制器：由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、地址寄存器（AR）、时序产生器和操作控制器组成。它协调和指挥整个计算机系统的操作。 实际的CPU，还要有中断控制系统，总线控制逻辑等功能部件。 5.1.3 CPU中的主要寄存器 各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但在CPU中至少要包括以下6类寄存器： ①缓冲寄存器（DR） 暂存由内存读出或要写入内存的一条指令或一个数据。 ②指令寄存器（IR） 保存当前正在执行的一条指令。 ③程序计数器（PC） 存放将要执行的下条指令地址。 ④数据地址寄存器（AR） 保存当前CPU所访问的内存单元的地址。 ⑤通用寄存器（R0-R3） 存放操作数及结果。 ⑥状态字寄存器（PSW） 保存操作完成后建立的各种条件码及中断和系统工作状态等信息。 5.1.4 指令译码器 对指令的操作码进行译码，以识别所要求的操作。其输入为指令的操作码字段，输出提供给操作控制器。 5.1.5 操作控制器与时序产生器 时序产生器：产生计算机所需要的各种时序信号，以实现对各种操作的时间控制。 操作控制器：根据指令和时序，产生所有指令所需要的所有操作控制信号。 根据设计方法不同，操作控制器可分为三种类型： ①时序逻辑型 采用时序逻辑电路设计实现操作控制器。这种控制器称为硬布线控制器。 ②存储逻辑型 采用存储逻辑设计实现操作控制器。这种控制器称为微程序控制器。 5.2 指令周期 5.2.1 基本概念 .指令周期：取出并执行一条指令的时间。 ·CPU周期：又称为机器周期，若干个CPU 周期构成一个指令周期。常用 访问一次内存所花的时间来规 定CPU周期。 ·时钟周期：又称为T周期，若干个时钟周期构成 一个CPU周期。它是处理操作的最小 时间单位。 不同的指令，其指令周期不同。 对于CPU周期，可以规定其为固定长度，也可以采用不固定长度。 我们后面的讨论都建立在：假定CPU周期是固定长度，并以读取一个指令字的时间作为一个CPU周期。 5.2.2 典型指令的指令周期 设有一段程序： 101 MOV R0，R1 ；（R1）→ R0 102 LAD R1，6 ；（6）→ R1 103 ADD R1，R2 ；（R1）+（R2）→ R2 104 STO R2，（R3） 105 JMP 101 ；无条件转移到101单元 106 AND R1，R3 一、MOV指令的指令周期 MOV是一条R