组成第十一讲--中央处理器的功能及结构资料
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当向主存存入一条指令或一个数据字时，也将它们暂时存放在 数据寄存器中
数据寄存器的作用
⑴作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站 ⑵弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异 ⑶在单累加器结构的运算器中，数据寄存器还可兼作操作数寄存器
2. 指令寄存器
指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在 执行的一条指令
计算机组成原理
作为控制并执行指令的部件，CPU对整个计算机 系统的运行是至关重要的
◦ 不仅要与计算机的其他功能部件进行信息交换 ◦ 还要控制这些功能部件的操作
CPU工作过程
◦ 编写程序，把程序同数据预先保存到主存储器中 ◦ 计算机工作时，
按顺序逐条取出指令，分析指令，执行指令 自动转到下一条指令
可以扩充其数目。下面详细介绍这来自百度文库寄存器的功能与 结构。
1. 数据寄存器
数据寄存器（Data Register，DR）又称数据缓冲寄存器
◦ 其主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站 ◦ 用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异
数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数 据字
◦ 只有这样，计算机才能有条不紊地工作
4）数据加工
数据加工就是对数据进行算术和逻辑运算
完成数据的加工处理，是CPU的根本任务
CPU的基本组成
传统上，CPU由控制器和运算器这两个主要部件 组成
◦ 新型CPU集成了一些原先置于CPU之外的分立功能部件
如浮点处理器、高速缓存（Cache）等 大大提高CPU性能指标，也使得CPU的内部组成日益复杂
运算器主要功能
⑴执行所有的算术运算 ⑵执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试
三、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，但是在
CPU中至少要有六类寄存器，如上图所示。 这些寄存器是： (1)指令寄存器(IR)； (2)程序计数器(PC)； (3)地址寄存器(AR)； (4)缓冲寄存器(DR)；(5)累加寄存器(AC)； (6)状态条件寄存器(PSW)。 上述这些寄存器用来暂存一个计算机字。根据需要，
化
CPU主要组成部分的逻辑结构
CPU
算术逻辑单元 c
c
c
ALU
程序状态字寄存器PSW
c
累加器AC
程序计数器PC
c
地址寄存器AR
c
数据寄存器DR
取指 执行 控制 控制
操作控制器 时序发生器
时钟 状态反馈
指令译码器
指令寄存器IR
c
c
地址总线 ABUS
存储器 输入/输出
数据总线 DBUS
1．控制器
控制器是整个计算机系统的指挥中心
2）操作控制
操作控制就是控制指令进行操作 一条指令的功能往往由若干个操作信号的组合来
实现
◦ CPU管理并产生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操作
3）时间控制
时间控制就是对各种操作实施定时控制
◦ 因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定 时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格 定时。
控制器的组成
◦ 程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器 （ID）、时序发生器、操作控制器
控制器的主要功能
⑴从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置 ⑵对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，以便启动规
定的动作 ⑶指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间数据流动的方
向
2．运算器
运算器是计算机中用于实现数据加工处理功能的部件
◦ 接受控制器的命令，完成对操作数据的加工处理任务 ◦ 其核心部件是算术逻辑单元ALU
相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动 作
◦ 即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来 指挥的
◦ 所以是执行部件
运算器的组成
◦ 算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）、数据寄存 器（DR）、程序状态字寄存器（PSW）
◦ 计算机一条一条地执行指令，实现预先设计的程序控制， 直到程序规定的任务完成为止
CPU的基本功能
1）程序控制 2）操作控制 3）时间控制 4）数据加工
1）程序控制
程序控制就是控制指令的执行顺序 程序是指令的有序集合
◦ 指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按照程序规定 的顺序执行
保证计算机按一定顺序执行程序是CPU的首要任 务
◦ 因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址
当执行指令时，
◦ CPU能自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令 的主存地址，为取下一条指令做好准备
若为单字长指令，则(PC)+1PC 若为双字长指令，则(PC)+2PC，以此类推
指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入
◦ 操作码一经译码，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号
3. 程序计数器
程序计数器（Program Counter，PC）用来指出下一条 指令在主存储器中的地址
在程序执行之前，
◦ 首先必须将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地 址送入PC
当执行一条指令时，
◦ 首先把该指令从主存读取到数据寄存器中 ◦ 然后再传送至指令寄存器
指令译码器（Instruction Decoder，ID）
◦ 对操作码进行测试，识别出所要求的操作 ◦ 对指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生指令所要求操作的控制
电位，并将其送到微操作控制线路上 ◦ 在时序部件定时信号的作用下，产生具体的操作控制信号
◦ 在控制器的指挥控制下，运算器、存储器和输入/输出 设备等部件协同工作，构成一台完整的通用计算机
控制器根据程序预定的指令执行顺序，
◦ 从主存取出一条指令， ◦ 按照该指令的功能，用硬件产生带有时序标志的一系列
微操作控制信号 ◦ 控制计算机内各功能部件的操作 ◦ 协调和指挥整个计算机实现指令的功能
中央处理器的功能及结构
计算机组成原理
什么是cpu？
当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它 编写程序。从上一章知道，程序是一个指令序列， 这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在 什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装入 内存储器，就可以由计算机来自动完成取出指令 和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计 算机部件称为中央处理器，通常简称CPU。
数据寄存器的作用
⑴作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站 ⑵弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异 ⑶在单累加器结构的运算器中，数据寄存器还可兼作操作数寄存器
2. 指令寄存器
指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在 执行的一条指令
计算机组成原理
作为控制并执行指令的部件，CPU对整个计算机 系统的运行是至关重要的
◦ 不仅要与计算机的其他功能部件进行信息交换 ◦ 还要控制这些功能部件的操作
CPU工作过程
◦ 编写程序，把程序同数据预先保存到主存储器中 ◦ 计算机工作时，
按顺序逐条取出指令，分析指令，执行指令 自动转到下一条指令
可以扩充其数目。下面详细介绍这来自百度文库寄存器的功能与 结构。
1. 数据寄存器
数据寄存器（Data Register，DR）又称数据缓冲寄存器
◦ 其主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站 ◦ 用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异
数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数 据字
◦ 只有这样，计算机才能有条不紊地工作
4）数据加工
数据加工就是对数据进行算术和逻辑运算
完成数据的加工处理，是CPU的根本任务
CPU的基本组成
传统上，CPU由控制器和运算器这两个主要部件 组成
◦ 新型CPU集成了一些原先置于CPU之外的分立功能部件
如浮点处理器、高速缓存（Cache）等 大大提高CPU性能指标，也使得CPU的内部组成日益复杂
运算器主要功能
⑴执行所有的算术运算 ⑵执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试
三、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，但是在
CPU中至少要有六类寄存器，如上图所示。 这些寄存器是： (1)指令寄存器(IR)； (2)程序计数器(PC)； (3)地址寄存器(AR)； (4)缓冲寄存器(DR)；(5)累加寄存器(AC)； (6)状态条件寄存器(PSW)。 上述这些寄存器用来暂存一个计算机字。根据需要，
化
CPU主要组成部分的逻辑结构
CPU
算术逻辑单元 c
c
c
ALU
程序状态字寄存器PSW
c
累加器AC
程序计数器PC
c
地址寄存器AR
c
数据寄存器DR
取指 执行 控制 控制
操作控制器 时序发生器
时钟 状态反馈
指令译码器
指令寄存器IR
c
c
地址总线 ABUS
存储器 输入/输出
数据总线 DBUS
1．控制器
控制器是整个计算机系统的指挥中心
2）操作控制
操作控制就是控制指令进行操作 一条指令的功能往往由若干个操作信号的组合来
实现
◦ CPU管理并产生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操作
3）时间控制
时间控制就是对各种操作实施定时控制
◦ 因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定 时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格 定时。
控制器的组成
◦ 程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器 （ID）、时序发生器、操作控制器
控制器的主要功能
⑴从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置 ⑵对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，以便启动规
定的动作 ⑶指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间数据流动的方
向
2．运算器
运算器是计算机中用于实现数据加工处理功能的部件
◦ 接受控制器的命令，完成对操作数据的加工处理任务 ◦ 其核心部件是算术逻辑单元ALU
相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动 作
◦ 即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来 指挥的
◦ 所以是执行部件
运算器的组成
◦ 算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）、数据寄存 器（DR）、程序状态字寄存器（PSW）
◦ 计算机一条一条地执行指令，实现预先设计的程序控制， 直到程序规定的任务完成为止
CPU的基本功能
1）程序控制 2）操作控制 3）时间控制 4）数据加工
1）程序控制
程序控制就是控制指令的执行顺序 程序是指令的有序集合
◦ 指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按照程序规定 的顺序执行
保证计算机按一定顺序执行程序是CPU的首要任 务
◦ 因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址
当执行指令时，
◦ CPU能自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令 的主存地址，为取下一条指令做好准备
若为单字长指令，则(PC)+1PC 若为双字长指令，则(PC)+2PC，以此类推
指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入
◦ 操作码一经译码，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号
3. 程序计数器
程序计数器（Program Counter，PC）用来指出下一条 指令在主存储器中的地址
在程序执行之前，
◦ 首先必须将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地 址送入PC
当执行一条指令时，
◦ 首先把该指令从主存读取到数据寄存器中 ◦ 然后再传送至指令寄存器
指令译码器（Instruction Decoder，ID）
◦ 对操作码进行测试，识别出所要求的操作 ◦ 对指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生指令所要求操作的控制
电位，并将其送到微操作控制线路上 ◦ 在时序部件定时信号的作用下，产生具体的操作控制信号
◦ 在控制器的指挥控制下，运算器、存储器和输入/输出 设备等部件协同工作，构成一台完整的通用计算机
控制器根据程序预定的指令执行顺序，
◦ 从主存取出一条指令， ◦ 按照该指令的功能，用硬件产生带有时序标志的一系列
微操作控制信号 ◦ 控制计算机内各功能部件的操作 ◦ 协调和指挥整个计算机实现指令的功能
中央处理器的功能及结构
计算机组成原理
什么是cpu？
当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它 编写程序。从上一章知道，程序是一个指令序列， 这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在 什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装入 内存储器，就可以由计算机来自动完成取出指令 和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计 算机部件称为中央处理器，通常简称CPU。