第3章 处理器架构CPU组成
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3 CPU的基本功能 指令控制 控制程序的执行顺序。这是首要任务。 操作控制 产生每条指令的操作信号，送往相应的部件，并控制这些部件
按指令的要求进行动作 时间控制 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理。这是CPU的根本任务。 中断处理
h
5
3.1 CPU的功能和组成
4 CPU的基本组成 ALU 计算机的功能精髓 寄存器——用于CPU内部的数据存储 内部数据路径——用于寄存器之间以及寄存器与ALU之间的数据传送 外部数据路径——用于将寄存器连接到内存和I/O模块 控制器——引起CPU内部的操作发生
h
6
3.1 CPU的功能和组成
5 CPU中的主要寄存器 CPU中的寄存器服务于两类功能： ·用户可见寄存器 这些寄存器允许机器语言或汇编语言程序员通过优化寄存器的使用而减少 对主存的访问 ·控制和状态寄存器 用来控制CPU的操作并被特权的操作系统程序用来控制程序的执行。
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7
3.1 CPU的功能和组成
第三章 CPU组成
h
1
3.1 CPU的功能和组成
1 诺依曼机结构
Structure of von Neumann machine
h
2
3.1 CPU的功能和组成
1 诺依曼机结构
Structure of IAS – detail
h
3
3.1 CPU的功能和组成
2 CPU内部结构
h
4
3.1 CPU的功能和组成
译码器 微命令字段
微地址字段
微指令存储器µIR
控制存储器CM
16
3.3 操作控制器
两个层次 程序员看到的传统机器级——机器指令。用机器指令编制的工作程序， 存放在主存储器中； 设计者看到的微程序级——微指令。用微指令编制的微程序，存放在控 制存储器中。
h
17
程序计数器
+1
状态字寄存器
时
译码
译码
序
地址形成部件 送M或ALU
系
统
操作码
地址段(寻址方式、寄存器 号)
来自主存
h
15
3.3 操作控制器
2 微程序控制器 基本思想 将存储逻辑引入CPU，将程序设计技术引入CPU的构成级
微命令序列
指令代码 IR
运行状态 PSW
微地址 形成电路
PC
微地址寄存器
µAR
h
h
10
3.2 CPU的工作过程
1 指令的执行过程
6段指令流水线操作时序图h
FI： 取指令 DI： 指令译码 CO： 计算 操作数地址 FO： 取操作数 EI： 执行指令 WO： 写操作数
11
3.2 CPU的工作过程
2 指令周期
h
12
3.2 CPU的工作过程
3 时序发生器 时序信号 产生各功能部件所需要的定时控制信号。并对各种控制信号实施时间上的 严格控制。 时序发生器 用逻辑电路发出时序信号
h
8
3.1 CPU的功能和组成
6 操作控制器和时序发生器 微操作与数据通路 微操作 指令分解后的最基本、最简单、不可再分的操作 数据通路 寄存器间传输信息的通路
h
9
3.1 CPU的功能和组成
6 操作控制器和时序发生器 (1) 操作控制器 决定在什么时间，根据什么条件，发出什么命令，做什么操作。 为使控制器实现其功能，必须具有允许它确定系统状态的输入和允许它控 制系统行为的输出。这是控制器的外部规范。内部，控制器必须具有完成 它的排序和执行功能的逻辑。 按照微命令的形成方式，通常有两种类型的控制器： ·组合逻辑控制器 ·微程序控制器 (2) 时序信号发生器 产生各功能部件所需要的定时控制信号。对控制信号实施时间控制
5 CPU中的主要寄存器 通用寄存器组 用户可编程访问 暂存器 对用户透明 累加器AC 当ALU执行全部算术和逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。 并暂存ALU运算的结果信息。 指令寄存器IR 用于存放当前指令 程序计数器PC 用于存放后继指令地址 程序状态字寄存器PSW 地址寄存器AR 连接到系统总线的地址线，指定了读/写操作的内存地址。 数据寄存器MDR 连接到系统总线的数据线，容有最后一次访问内存的值
h
13
3.2 CPU的工作过程
4 控制方式 同步控制方式 各项操作与统一的时序信号同步 异步控制方式 各项操作按其需要选择不同的时间，不受统一的时序信号约束； 各操作之间的衔接与各部件之间的信息交换采取应答方式
hBaidu Nhomakorabea
14
3.3 操作控制器
1 组合逻辑控制器 硬连线
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令序列 微操作信号发生器
按指令的要求进行动作 时间控制 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理。这是CPU的根本任务。 中断处理
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3.1 CPU的功能和组成
4 CPU的基本组成 ALU 计算机的功能精髓 寄存器——用于CPU内部的数据存储 内部数据路径——用于寄存器之间以及寄存器与ALU之间的数据传送 外部数据路径——用于将寄存器连接到内存和I/O模块 控制器——引起CPU内部的操作发生
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3.1 CPU的功能和组成
5 CPU中的主要寄存器 CPU中的寄存器服务于两类功能： ·用户可见寄存器 这些寄存器允许机器语言或汇编语言程序员通过优化寄存器的使用而减少 对主存的访问 ·控制和状态寄存器 用来控制CPU的操作并被特权的操作系统程序用来控制程序的执行。
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3.1 CPU的功能和组成
第三章 CPU组成
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3.1 CPU的功能和组成
1 诺依曼机结构
Structure of von Neumann machine
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3.1 CPU的功能和组成
1 诺依曼机结构
Structure of IAS – detail
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3.1 CPU的功能和组成
2 CPU内部结构
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3.1 CPU的功能和组成
译码器 微命令字段
微地址字段
微指令存储器µIR
控制存储器CM
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3.3 操作控制器
两个层次 程序员看到的传统机器级——机器指令。用机器指令编制的工作程序， 存放在主存储器中； 设计者看到的微程序级——微指令。用微指令编制的微程序，存放在控 制存储器中。
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程序计数器
+1
状态字寄存器
时
译码
译码
序
地址形成部件 送M或ALU
系
统
操作码
地址段(寻址方式、寄存器 号)
来自主存
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3.3 操作控制器
2 微程序控制器 基本思想 将存储逻辑引入CPU，将程序设计技术引入CPU的构成级
微命令序列
指令代码 IR
运行状态 PSW
微地址 形成电路
PC
微地址寄存器
µAR
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3.2 CPU的工作过程
1 指令的执行过程
6段指令流水线操作时序图h
FI： 取指令 DI： 指令译码 CO： 计算 操作数地址 FO： 取操作数 EI： 执行指令 WO： 写操作数
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3.2 CPU的工作过程
2 指令周期
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3.2 CPU的工作过程
3 时序发生器 时序信号 产生各功能部件所需要的定时控制信号。并对各种控制信号实施时间上的 严格控制。 时序发生器 用逻辑电路发出时序信号
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3.1 CPU的功能和组成
6 操作控制器和时序发生器 微操作与数据通路 微操作 指令分解后的最基本、最简单、不可再分的操作 数据通路 寄存器间传输信息的通路
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3.1 CPU的功能和组成
6 操作控制器和时序发生器 (1) 操作控制器 决定在什么时间，根据什么条件，发出什么命令，做什么操作。 为使控制器实现其功能，必须具有允许它确定系统状态的输入和允许它控 制系统行为的输出。这是控制器的外部规范。内部，控制器必须具有完成 它的排序和执行功能的逻辑。 按照微命令的形成方式，通常有两种类型的控制器： ·组合逻辑控制器 ·微程序控制器 (2) 时序信号发生器 产生各功能部件所需要的定时控制信号。对控制信号实施时间控制
5 CPU中的主要寄存器 通用寄存器组 用户可编程访问 暂存器 对用户透明 累加器AC 当ALU执行全部算术和逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。 并暂存ALU运算的结果信息。 指令寄存器IR 用于存放当前指令 程序计数器PC 用于存放后继指令地址 程序状态字寄存器PSW 地址寄存器AR 连接到系统总线的地址线，指定了读/写操作的内存地址。 数据寄存器MDR 连接到系统总线的数据线，容有最后一次访问内存的值
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3.2 CPU的工作过程
4 控制方式 同步控制方式 各项操作与统一的时序信号同步 异步控制方式 各项操作按其需要选择不同的时间，不受统一的时序信号约束； 各操作之间的衔接与各部件之间的信息交换采取应答方式
hBaidu Nhomakorabea
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3.3 操作控制器
1 组合逻辑控制器 硬连线
I/O状态 控制台信息
运行状态
微命令序列 微操作信号发生器