第五章 控制器

第五章控制器

第一节基本概念

一、CPU的基本功能

CPU具有以下4个方面的基本功能：

（1）指令控制，即对程序运行的控制；

（2）操作控制，即对指令内操作步骤的控制；

（3）数据运算，即对数据进行算术运算和逻辑运算，这是CPU的最基本功能；

（4）异常处理和中断处理，如处理运算中的溢出等错误情况以及处理外部设备的服务请求等。

历年真题

1．CPU由哪两部分组成？CPU具有哪四个基本功能？（2009年）

【答案】CPU由运算器和控制器组成。

（CPU）具有以下4个方面的基本功能：

（1）指令控制，即对程序运行的控制；

（2）操作控制，即对指令内操作步骤的控制；

（3）数据运算，即对数据进行算术运算和逻辑运算，这是CPU的最基本功能；

（4）异常处理和中断处理，如处理运算中的溢出等错误情况以及处理外部设备的服务请求等。

二、CPU的基本组成

CPU主要由主要运算器、控制器两部分组成。在CPU中还有多种寄存器。

CPU主要的寄存器：

（1）指令寄存器（IR），存放当前正在执行的指令，为指令译码器提供指令信息。

（2）程序计数器（PC），存放下一条指令的地址。用来提供取指地址，从而控制程序执行顺序。

（3）数据寄存器（DR），存放操作数、运算结果和运算的中间结果，以减少访存的次数。

（4）地址寄存器（AR），存放操作数的地址。

（5）程序状态寄存器（PS），存放计算中的状态信息，这些信息是控制程序的条件。

历年真题

1．在CPU中，哪些寄存器属于控制用的指令部件？它们各起什么作用？（5分）（2000年）【答案】

①指令寄存器（IR），存放当前正在执行的指令，为指令译码器提供指令信息。

②程序计数器（PC），存放下一条指令的地址。用来提供取指地址，从而控制程序执行顺序。

③程序状态寄存器（PS），存放计算中的状态信息，这些信息是控制程序的条件。

2．当读取并执行一条指令时，控制器的主要功能是什么? （2003年）

【答案】

①从主存取指令，并计算下一条指令在主存中的地址；

②对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；

③控制指令执行的步骤和数据流动的方向。

三、单总线CPU结构图（会画并理解）

注意：画的时候一定要注意箭头的方向。

历年真题

1．改错题：单总线结构系统是指：各大功能部件之间用一根信号线连接。（2000年）

【答案】单总线结构系统是指各寄存器及ALU之间的数据通路只用一条总线构成。

第二节指令周期

一、指令周期的基本概念

1．时钟周期：也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数，是计算机中最基本的、最小的时间单位。

2．机器周期：在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。

3．指令周期：是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。

历年真题

1.下列说法中，合理的是（）。（2003年）

A．执行各条指令的机器周期数相同，各机器周期的长度均匀

B．执行各条指令的机器周期数相同，各机器周期的长度可变

C．执行各条指令的机器周期数可变，各机器周期的长度均匀

D．执行各条指令的机器周期数可变，各机器周期的长度可变

【分析】机器周期是指令执行中每一步操作所需要的时间，一般以CPU中完成一个运算操作所需的时间作为机器周期的基本时间，其长度是均匀的，而各种指令的功能不同，因而各指令执行时所需的机器周期数是可变的。

【答案】C

2.为什么说各指令周期采用相同的机器周期数不是最合理的方法？(2006年)

【答案】

（1）各指令所需操作步数不尽相同，若选最长步数所需的机器周期数，则对某些指令来说是浪费。

（2）指令执行中不同的操作步骤可能需要不同的时间，机器周期只能定为最慢的操作步骤所需的时间。

二、算术指令周期

2000、2001、2004、2005、2008和2009年考的都是算术指令周期的内容。

算术指令周期：①取指令②指令译码及读取操作数③执行计算④写回

历年真题

1．单总线CPU结构图如下，其中有运算部件ALU、寄存器Y和Z、通用寄存器R0～R3、指令寄存器IR、程序计数器PC、主存地址寄存器MAR 和主存数据寄存器MDR 等部件，试拟出加法指令ADD R1，B(R2)的读取和执行流程。其中R1表示目的寻址为寄存器寻址；B(R2) 表示源寻址为变址寻址，B是偏移量，R2是变址寄存器。（2004年）

【分析】图见前面内容

PC→MAR 取指令

PC+1→PC 计算下一条指令

DBUS→MDR，MDR→IR 读入指令

B（IR地址段）→Y 送地址偏移量

R2+Y→Z 计算操作数地址

Z→MAR 送操作数地址

DBUS→MDR，MDR→Y 读取操作数

R1+Y→Z 求和计算

Z→R1写回结果

【答案】

PC→MAR

PC+1→PC

DBUS→MDR，MDR→IR

B（IR地址段）→Y

R2+Y→Z

Z→MAR

DBUS→MDR，MDR→Y

R1+Y→Z

Z→R1

三、访存指令周期

2003、和2006年考的都是访存指令周期的内容。

访存指令周期：①取指令②指令译码③计算地址④访存⑤写回

历年真题

1.单总线CPU结构下图所示，其中有运算部件ALU、寄存器Y和Z、通用寄存器R0～R3、指令寄存器IR、程序计数器PC、主存地址寄存器MAR和主存数据寄存器MDR。试拟出CPU读取并执行LOAD R1,（R2）取数指令的流程，指令中R1表示目的寻址为寄存器寻址，(R2)表示源寻址为寄存器间接寻址。(2006年)