计算机组成原理第5章 中央处理器

9
图5.1
CPU主要组成部分的逻辑框图
10
二、时序控制方式 计算机的基本任务是执行指令。执行一条指令 的过程是分为若干步来实现的，每一步对应某些微 操作。由于不同指令所对应的微操作及繁简程度大 不相同，因而每条指令和每个微操作所需的执行时 间也不相同，这就需要引入时序信号来对这些微操 作进行定时控制。时序控制方式，就是指微操作与 时序信号之间采取何种关系。按照同步或非同步的 关系，可将时序控制方式分为同步控制和异步控制
11
1 所谓同步控制方式，就是系统有一个统一的时 钟，所有的控制信号均来自这个统一的时钟信号。 统一的时序由CPU 在同步控制方式中，操作时间被划分为许多长 度固定的时间段，一个时间段就是一个节拍，也称 时钟周期。每个时钟周期完成一步操作。
12
2 在CPU中，为实现同步控制，通常需设置一 时序系统，以产生统一的时序信号对各操作进行定 在同步控制方式中，通常将时序信号划分为几
22
图5.6
取指周期的流程图
23
将指令的执行过程以流程图的形式描述，就得 到指令执行流程图。即将指令执行过程中的每步传 送操作（寄存器之间的信息传送）用流程图的形式 描述出来。以取指周期为例，取指周期的流程图如 图5.6
24
可执行程序的最终形态是指令序列，在每一指 令周期执行一条指令，各条指令往往需要分步执行。 例如，一条运算指令的读取和执行过程常需划分为 取指令、取源操作数、取目的操作数、执行运算操 作、存放运算结果等几个操作阶段；每个阶段又可 再分为若干步操作。也就是说，每条指令的执行过 程可以分解为一组操作序列。
7
（3 通常把寄存器之间传送信息的通路称为“数据 通路”。但这些部件之间需要采用一定的方式来连 接，目前常用的方法是在各功能部件之间设置总线
8
所谓总线是一组能为多个部件分时共享的信息 传送线路，它分时接收各部件送来的信息，并发送 信息到有关部件。采用总线传送信息方式，可有效 地减少传送线数量，使数据通路结构简化，便于控 制。但由于多个部件连接在一组公共总线上，可能 会出现多个部件争用总线，因此需设置总线控制逻
16
图5.3 多级时序
17
图5.4
异步应答流程
18ห้องสมุดไป่ตู้
在CPU中，控制器的任务是决定在什么时间、 根据什么条件、发什么命令、做什么操作。因此， 产生微命令的基本依据是时间、指令代码、状态、 外部请求等。这些信息或作为逻辑变量，经组合逻 辑电路产生微命令序列；或形成相应的微程序地址， 通过执行微指令直接产生微命令序列。按照微命令 的产生方式，可将控制器分为组合逻辑控制器和微
3
（2 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 （3 （4
4
2 中央处理器由运算器、控制器、Cache和总线 （1 运算器是计算机进行数据加工处理的中心。它 由算术逻辑单元（ALU）、通用寄存器组、程序状 态字寄存器（PSW）、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相应的算术
25
图5.7
采用内部总线的数据通路和控制信号
26
第三节 微程序控制的概念，最早是由英国剑桥大学的 Wilkes在1951年提出的，经历种种演变，在只读 1 2 3
27
图5.8
微程序控制器原理框图
28
如前所述，控制存储器中每个单元可以存放 一条微指令，每条微指令由微命令字段和微地址字 段两部分组成。微命令字段中包含进行某步操作所 需的微命令信息。如何组织与表示这些微命令涉及 微指令的编码方法；微地址字段表明如何形成后继 微地址，使微程序能连续执行。因此，微指令的编 码方式与微地址的形成方式是微程序设计中需要解
13
计算机从取指令到执行完指令所需要的时间称 为指令周期。不同的指令，其功能不同，其指令周 期长短也就可以不同。在系统中，通常不为指令周 期设置时间标志信号，因而也不将其作为时序的一 级。时序信号通常划分为三级，即机器周期、节拍
14
图5.2
时序系统结构框图
15
3) 异步控制方式中没有统一的时钟信号，各部件 按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络， 常见的应答信号有准备好（READY）或等待（ WAIT
5
（2 第一，从内存中取出一条指令，并指出下一条 第二，对指令进行译码或测试，并产生相应的 操作控制信号，以便启动规定的动作。比如一次内 存读/写操作、一个算术逻辑运算操作，或一个输 入/
6
第三，指挥并控制CPU、内存和输入输出设 控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（ IR）、地址寄存器（MAR）、数据缓冲寄存器（ MDR）、指令译码器ID、时序发生器和微操作信
19
第二节 一、指令执行分析 任何一条指令的执行都要经过读取指令、分析 指令和执行指令三个阶段。指令执行过程一般可分 为：1）取指令 2 3 4 5
20
图5.5
流水处理
21
二、 计算机的功能是执行程序。执行程序时，计算 机操作由一系列指令周期组成，每个周期执行一条 机器指令，而每个指令周期又由若干个机器周期组 成，一种通常的办法是分解成取指、取操作数、执 行和中断，只有取指和执行周期总是必有的。 1 2 3 4
第5章
中央处理器
中央处理器（central processing unit,简称CPU）是计 算机系统的核心部件，由运算器和控制器两个基本部件组成 。运算器在控制器的控制下对数据进行加工，主要完成算术 运算和逻辑运算。控制器相当于人的大脑，是整个计算机系 统的指挥中心，它发出各种控制信号，控制整个计算机的各 种操作。根据组成方式的不同，控制器分为组合逻辑控制器 和微程序控制器两种，它们各有其优、缺点。大、中型计算 机的控制器一般采用组合逻辑控制器，而微型机一般采用微 程序控制器。第3章已经详细介绍了运算器，本章主要讨论 控制器。内容主要包括中央处理器的功能和组成、指令的执 行、微程序控制器及CPU
1
第一节 1 中央处理器简称CPU，它的主要功能是从主 存储器中取出指令、解释指令和执行指令，即按指 令控制计算机各部件操作，并对数据进行处理。具
2
（1 取指令操作方面，CPU需按照指令要求取出 下一条指令，并控制指令的执行顺序。程序中的大 部分指令是顺序执行指令，有少部分是转移指令。 程序在执行时，指令的顺序已经确定，不能任意调 换，CPU的首要任务就是保证机器按正确的顺序