计算机组成原理第六章中央处理器
计算机组成原理课件第六章中央处理器6.1
6.1.2中央处理器的基本结构
• 主存储器中存放数据和指令。 • CPU要从主存读取数据或指令，则必须给出该数据的主存单元地址到
MAR中，并向存储器发送读操作信号，然后等待数据从主存读出并存 放到存储器总线的数据总线上。CPU读主存储器时发出的读信号定义 为RM。 • CPU要向主存写入数据，则必须给出主存单元地址到MAR中，然后 通过存储器地址总线选中要访问的单元，同时把数据送到存储器数据 寄存器MDR中，再送到存储器数据总线，最后向存储器发送写操作信 号，然后等待数据写入到主存单元中。CPU写主存储器时发出的写信 号定义为WM。 • 主存储器完成读写操作会向CPU发送存储器操作完成信号MFC （Memory Function Completed）。
• （4）异常和中断处理 – 计算机出现某些异常情况，如算术运算溢出等，或者某些外部设 备发出“中断请求”信号，那么在执行完当前指令后，CPU要停 止当前的程序，转去处理这些异常的中断服务程序。当处理完毕 后，再返回原程序继续运行。
• 计算机中控制器就这样周而复始地取指令、分析指令、执行指令，再 取指令、再分析指令、再执行指令……直到程序结束或出现外来的干 预为止。
• 主存储器外部有地址总线 和数据总线。
• CPU内部各模块通过一条 公共总线相连，是内部总 线。
• 存储器总线经由存储器数 据寄存器MDR和存储器地 址寄存器MAR连到CPU内 部数据总线。
6.1.2中央处理器的基本结构
• 存储器地址寄存器MAR用来保存当前CPU所访问的内存 单元地址。由于CPU和内存之间有速度差异，所以必须使 用地址寄存器来保存地址信息，直到内存读写操作完成。
计算机组成原理(第二版) 第6章 中央处理器
2019年5月11日
第8页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.1.1 中央处理器的功能与组成 (4/5)
五、CPU的组成 （1）指令部件
程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器（ID）、程序状态寄存器 （PSW）和地址形成部件等。 （2）时序部件
时序部件就是用来产生各部件所需要的定时控制信号的部件。时序信号一般 由工作周期，工作节拍及工作时标脉冲三级时序信号构成。
计计算算机机组组成成原原理理(第(第二二版版) )
清清华华大大学学出出版版社社
第6章 中央处理器
教学目标 教学重点 教学过程
2019年5月11日
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计算机组成原理(第二版)
教学目标
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掌握中央处理器的基本工作原理 掌握程序控制基本思想
2019年5月11日
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计算机组成原理(第二版)
2019年5月11日
第23页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (12/18)
（2）“指令计数器PC递增”的微操作序列 ①PCout，0Y，Yin，0X，1，ADD，Zin （把有效地址送入暂存器Z。） ②Zout，PCin （把暂存器Z的内容送PC。）
（3）“从主存中取出指令字”的微操作序列 ①PCout，0Y，Yin，MARin，READ （指令地址送到主存，发读命令。） ②0X，1，ADD，Zin，WMFC （（PC）+1，并等待内存操作完成回答信号。） ③MDRout，IRin，Zout，PCin （接收指令到IR，开始译码，并且PC内容已递增。）
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6.1.2 操作控制器与时序产生器
ch6中央处理器
计算机组成原理
第6章 中央处理部件（CPU）
二、CPU的基本组成
1、运算器 运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（ACC）、状 态条件寄存器、数据缓冲寄存器、通用寄存器组等组成。
计算机组成原理
第6章 中央处理部件（CPU）
二、CPU的基本组成
2、控制器 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生 器和操作控制器等部分组成。 它负责完成CPU的指令控制、操作规程控制和时间控制三大 功能。 控制器的主要任务有：
C
4、某SRAM芯片，其容量为512×8位，加上电源端 和接地端，该芯片引出线的最小数目应为 。 A、23 B、25 C、50 D、19
D
计算机组成原理
第6章 中央处理部件（CPU）
5、在cache的地址映射中，若主存中的任意一块均可 映射到cache内的任意一块的位置上，则这种方法称为 A、全相联映射 B、直接映射 C、组相联映射 D、混合映射
CPU当前访问的内存单元的地址 由于CPU和内存之间存在速度上的差异，因而需要使 用地址寄存器来保持内存的地址信息，直到内存存取 操作数完成为止
计算机组成原理
第6章 中央处理部件（CPU）
4、数据缓冲寄存器（DR， Data Register）
数据缓冲寄存器主要作为CPU和内存、外设之间信息 传递的中转站，用于补偿CPU和内存、外设之间操作 速度上的差别 在单累加器结构的计算器中，可以兼做操作数寄存器 使用
DR1 （74273) LDAD PC-B R0-B LDAR AR（74LS273） LDR0 PC（74161） LDPC LDR1
DR2 （74273) LDR2
计算机原理 第六章 中央处理器 课堂笔记及练习题
计算机原理第六章中央处理器课堂笔记及练习题主题：第六章中央处理器学习时间： 2016年11月7日--11月13日内容：我们这周主要学习第六章中央处理器其中包括CPU的功能和组成、指令周期、时序产生器和控制方式、微程序控制器等内容。
希望通过这些内容的学习能使同学们进一步掌握计算机的中央处理器的相关知识。
一、学习要求1．了解CPU的功能和组成；2．掌握指令周期、时序产生器和控制方式的相关知识；3. 掌握微程序控制器的相关知识。
二、主要内容(一) CPU的功能和组成1．CPU的功能CPU（central processing unit）是电脑中的核心配件，是一台计算机的运算核心和控制核心。
电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。
CPU的结构：中央处理器CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。
中央处理器从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。
它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作，从而完成一条指令的执行。
指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。
指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字和特征码。
CPU的五大功能：---输入单元：用来读取给电脑处理的资料或程式---处理单元：用来执行计算；比较和判断等运算功能---输出单元：将电脑的运算结果和处理好的资料输出---记忆单元：用来储存资料或程式的地方---控制单元：按作业程序指挥上述单元的运作及交换资料通道的传送2．CPU的组成CPU内部结构大概可以分为控制单元、运算单元、存储单元和时钟等几个主要部分。
运算器是计算机对数据进行加工处理的中心，它主要由算术逻辑部件（ALU：Arithmetic and Logic Unit）、寄存器组和状态寄存器组成。
ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。
计算机组成原理第6章中央处理器
计算机组成原理第6章中央处理器第六章中央处理器6.1 中央处理器的功能和组成6.1.1 中央处理器的功能中央处理器简称CPU，它具有如下4⽅⾯的功能：(1)程序的顺序控制。
(2)操作控制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令的要求进⾏动作。
(3)时间控制对各种操作实施时间上的控制。
(4)数据加⼯对数据进⾏算术运算和逻辑运算处理。
6.1.2 中央处理器的组成中央处理器由控制器、运算器和总线组成。
(1)控制器控制器是全机的指挥中⼼，其基本功能就是执⾏指令。
控制器由程序计数器PC、指令寄存器m、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、指令译码器、时序系统和微操作信号发⽣器组成。
①程序计数器PC⽤以指出下条指令在主存中的存放地址，CPU根据PC的内容去主存取得指令。
因程序中指令是顺序执⾏的，所以PC有⾃增功能。
②指令寄存器(m)：⽤来保存当前正在执⾏的⼀条指令的代码。
③地址寄存器(AR)：⽤来存放当前CPU访问内存单元的地址。
④数据寄存器(DR)：⽤来暂存由内存储器中读出或写⼊内存的指令或数据。
⑤指令译码器：分别对操作码字段、寻址⽅式字段、地址码字段进⾏译码，向控制器提供操作的特定信号。
⑥时序部件：⽤来产⽣各种时序信号，时序信号可分为CPU周期信号、节拍周期信号和节拍脉冲信号，它们都是由统⼀时钟CLOCK分频得到的。
⑦微操作形成部件：根据IR的内容(指令)、PSW的内容(状态信息)以及时序线路3⽅⾯的内容，产⽣控制整个计算机系统所需的各种控制信号。
其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。
⑧中断系统⑨操作控制台(2)运算器运算器由算术逻辑单元(ALU)、通⽤寄存器、程序状态字寄存器、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响应的动作，负责对数据的加⼯和处理。
各组成部件的作⽤是：①算术逻辑单元(ALU)：⽤以进⾏双操作数的算术逻辑运算。
②通⽤寄存器组：⽤来存放操作数(包括源操作数、⽬的操作数及中间结果)和各种地址信息等。
计算机组成原理(蒋本珊)第六章
第六章１．控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为３种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。
同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。
这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。
异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。
异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。
联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。
２．什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。
计算机中每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。
３．控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什么？解：控制器的基本功能有：（１）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。
（２）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
（３）指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。
控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３类，分类的依据在于控制器的核心———微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。
４．中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。
对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。
中央处理器由运算器和控制器组成。
５．中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功能。
解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
计算机组成原理第6章
第6章中央处理器
图 6－6 指令周期与 CPU 周期的包含关系
第6章中央处理器
6. 1. 4 指令执行流程 指令的执行是从取指周期开始的。取指周期主要完成从
内存取出要执行的指令,并使指针指向下一条指令,即 PC=PC+ “ 1 ”,这里的“ 1 ”表示当前这条指令的实际字长。 取指完成后,对指令进行译码,再转入具体的指令执行过程。 指令在执行过程中如果采用间接寻址方式,还需要增加间址 周期,如图 6－5 所示。
第6章中央处理器
3. 时序控制 每一条指令在执行的过程中,必须在规定的时间给出各 部件所需操作控制的信号,才能保证指令功能的正确执行。 因此,时序控制就是定时地给出各种操作信号,使计算机系统 有条不紊地执行程序。 4. 数据加工 数据加工是指对数据进行算术运算、逻辑运算或其他处 理。
第6章中央处理器
第6章中央处理器
图 6－7 所示是一个采用总线结构将运算器、寄存器连 接起来的控制器内部数据通路。其各部件与内部总线 IBUS 和系统总线 ABUS 、 DBUS 的连接方式如图中所示,图中的 “ o ”为控制门,在相应控制信号(信号名称标在“o ”上)的控 制下打开,建立各部件之间的连接。GR 是通用寄存器组, X 和 Z 是两个暂存寄存器。
计算机组成原理第六章 中央处理器
问题：时钟周期的宽度如何确定？ 以“Riout,OP,Zin”所花时间来确定还 是以 “Read/Write”所花时间来确定？ 以上四种操作各需要几个时钟周期？
三总线数据通路
°单总线中一个时钟内只允许传一个数据， 因而指令执行效率很低
°可采用多总线方式，同时在多个总线上传 送不同数据，提高效率
°例如：三总线数据通路
Ch 6: CPU - Datapath and Control 中央处理器：数据通路和控制器
第一讲 单周期数据通路的设计 第二讲 单周期控制器的设计 第三讲 多周期处理器、微程序设计
与异常处理
第一讲 单周期数据通路的设计
主要内容
°CPU的功能及其与计算机性能的关系 °数据通路的位置 °单周期数据通路的设计
°什么叫指令周期？ • 取并执行一条指令的时间 • 每条指令的指令周期肯定一样吗？
°早期计算机的三级时序系统 • 机器周期 - 节拍 - 脉冲 • 指令周期可分为取指令、读操作数、执行并写结果等多个基本工 作周期，称为机器周期。 • 机器周期有取指令、存储器读、存储器写、中断响应等不同类型
数据通路与时序控制（早期计算机的三级时序）
• 一个写口（时序逻辑操作）：写使能为1 的情况下，时钟边沿到来时，busW传来 的值开始被写入RW指定的寄存器中。
Write Enable RW RA RB
55 5
busW
32 Clk
busA
32 32-bit
32
Registers busB
32
RW busW
寄存器组的内部结构
Write Enable
out7
加法器需要什
多路选择器
Select
么控制信号?
计算机组成原理课件(第6章__中央处理器)
4D)是程序控制指令， 指令周期需要两个CPU周期，取指令阶段一 个CPU周期，执行指令阶段一个CPU周期。 操作是：D→PC 第一个CPU周期，即取指令周期，操作 过程与CLA指令相同。 第二个 CPU 周期，把转移地址送程序计 数器(PC)。
6.4 微程序控制器
•理解CPU的功能； •了解CPU的基本组成； •掌握两种时序控制方式； •理解指令周期的基本概念； •掌握微程序控制器的基本概念及组成原理； •了解当前最先进的CPU技术。
第6 章
中央处理器
计算机硬件由控制器、运算器、存储器、 输入设备和输出设备五部分组成。随着集成 电路的出现及其集成度的提高，设计者将控 制器和运算器集成在一片集成电路上，称作 微处理器，通常称之为中央处理部件CPU。 CPU是计算机的核心部件。本章介绍CPU的功 能和基本组成，指令周期的概念，微程序控 制器及当前最先进的CPU技术。
1．非访内指令的指令周期
清累加器指令(CLA)是非访内指令，需 要两个CPU周期，取指令阶段一个CPU 周期，执行指令阶段一个CPU周期。 操作是：0→A 第一个CPU周期，即取指令周期。 第二个 CPU 周期，即执行指令周期。
2．直接访内指令的指令周期
加法指令(ADD，D)是直接访内指令，需要 三个CPU周期，取指令阶段一个CPU周期， 执行指令阶段两个CPU周期。 操作是：A十(D)→A 第一个CPU周期，即取指令周期，操作 过程与CLA指令相同。 第二个CPU周期，将操作数的地址送往 地址寄存器并完成地址译码。 第三个 CPU 周期，从内存取出操作数并 执行相加操作。
计算机组成原理第六章中央处理器(含答案)
第六章中央处理器6.1 CPU组成与功能随堂测验1、控制ＣＰＵ内数据通路传送的部件是（）（单选）A、程序控制器B、时序产生器C、指令译码器D、操作控制器2、下列可能是CPU组成部件的是( ）（多选）A、程序计数器ＰＣB、指令寄存器ＩＲC、累加器ＡＣD、算术逻辑运算单元ＡＬＵ3、下列属于ＣＰＵ功能的是（）（多选）A、算术逻辑运算功能B、存储控制功能C、操作控制功能D、异常控制功能4、下列关于程序计数器的下列描述中，正确的是（）（多选）A、指令执行过程中会保存当前正在执行的指令地址B、指令执行过程中会保存下一条指令的地址C、其值不一定按ＰＣ＋“１”的方式改变D、ＣＰＵ中可以没有ＰＣ6.2 数据通路随堂测验1、下列关于数据通路的叙述中，正确的是（）（多选）A、数据通路是指令周期内信息传输的路径B、不同指令执行使用的数据通路可以不同C、同一指令在执行的不同阶段使用的数据路径不同D、不同数据路径不能使用相同的功能部件2、下图是数据通路中反映时间关系的原理图。
下列关于该图中几个时间关系描述的描述中，正确的是（）（多选）A、建立时间setup 指触发器时钟到来之前数据应该保持稳定不变时间，否则数据不能在该时钟有效时被打入触发器B、保持时间hold 指触发器时钟到来之后数据应该保持稳定不变时间，否则数据不能在该时钟有效时被打入触发器C、CLk-to-Q是指时钟有效之后新输入的值稳定出现在输出端所经历的时延D、由此可知该电路的时钟最后最小值为setup + hold + Clk-to-Q3、下列关于数据通路结构及其影响的描述中，正确的是（）（多选）A、常用的数据通路有专用通路和共享通路两种B、相同指令在不同数据通路结构下数据路径不同C、完成相同指令在不同数据通路结构下需要的控制信号不同D、相同指令在不同数据通路结构下执行的效率不同6.4 数据通路实例随堂测验1、下图为单总线结构数据通路实例关于该数据通路的下列描述中，正确的是（) (多选)A、PC +“1" 的数据通路为PC -> X -> ALU ->Z -> PCB、取指令的数据通路为：PC -> AR -> MEM -> DR -> IRC、所有控制寄存器向总线数据的控制信号，如R2out, Zout等都一定不能同时有效D、所有控制从总线向寄存器输入的控制信号，如Xin，R2in等一定不能同时有效2、下图为另一种单总线结构的CPU原理图假定PCout 兼有使PC +”1"的功能，围绕该图的下列描述中，正确的是（）（多选）参考答案如下：A、实现PC + "1"的数据通路是PC -> PCB、取指令的数据通路为：PC-> AR -> 主存-> DR -> IRC、PCout、DRout 、IRA out 及bus1->BUS 都一定不能同时有效D、某采用简洁寻址的指令其执行阶段的数据通路一定包含: IR -> AR ->主存->DR->AR->主存->DR3、下图为基于专用通路的CPU结构围绕该图的下列描述中，正确的是（）（多选）A、取指令的数据通路为PC-> 指令寄存器B、完成PC 增量操作的数据通路为：PC-> PC+1 部件-> PCBranch ->MUX1->PCC、由于使用了专题通路结构和多路选择器，所有功能部件的输出将不再有数据冲突D、图中PC 既是指令地址寄存器也是数据地址寄存器6.1D、ABCD、ACD、ABC6.2ABC、ABC、ABCD6.4ABC、ABCD、ABC。
计算机组成原理习题答案第六章
１．如何区别存储器和寄存器？两者是一回事的说法对吗？解：存储器和寄存器不是一回事。
存储器在CPU 的外边，专门用来存放程序和数据，访问存储器的速度较慢。
寄存器属于CPU 的一部分，访问寄存器的速度很快。
２．存储器的主要功能是什么？为什么要把存储系统分成若干个不同层次？主要有哪些层次？解：存储器的主要功能是用来保存程序和数据。
存储系统是由几个容量、速度和价存储系统和结构各不相同的存储器用硬件、软件、硬件与软件相结合的方法连接起来的系统。
把存储系统分成若干个不同层次的目的是为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。
由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速缓存和主存间称为Cache －主存存储层次（Cache 存储系统）；主存和辅存间称为主存—辅存存储层次（虚拟存储系统）。
３．什么是半导体存储器？它有什么特点？解：采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS 型存储器和双极型存储器两大类。
半导体存储器具有容量大、速度快、体积小、可靠性高等特点。
半导体随机存储器存储的信息会因为断电而丢失。
４．SRAM 记忆单元电路的工作原理是什么？它和DRAM 记忆单元电路相比有何异同点？解：SRAM 记忆单元由６个MOS 管组成，利用双稳态触发器来存储信息，可以对其进行读或写，只要电源不断电，信息将可保留。
DRAM 记忆单元可以由４个和单个MOS管组成，利用栅极电容存储信息，需要定时刷新。
５．动态RAM 为什么要刷新？一般有几种刷新方式？各有什么优缺点？解：DRAM 记忆单元是通过栅极电容上存储的电荷来暂存信息的，由于电容上的电荷会随着时间的推移被逐渐泄放掉，因此每隔一定的时间必须向栅极电容补充一次电荷，这个过程就叫做刷新。
常见的刷新方式有集中式、分散式和异步式３种。
集中方式的特点是读写操作时不受刷新工作的影响，系统的存取速度比较高；但有死区，而且存储容量越大，死区就越长。
分散方式的特点是没有死区；但它加长了系统的存取周期，降低了整机的速度，且刷新过于频繁，没有充分利用所允许的最大刷新间隔。
计算机组成课件
控制信号
…
CU
时钟
CPU的数据通路
Ad IRout IRin PCin CPU 内 部 总 线
OF DF IF TF SF ZF 方向 标志 中断允 许标志 陷阱 标志
控制器部分
功能： （1）取指令，并指出下一条指令在主存中的位置。 （2）指令译码，产生相应的操作控制信号，以便启 动规定的动作。 （3）指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间 的数据流动方向。
组成： 程序计数器（PC） 用来存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条 指令地址。 对于顺序执行的情况，PC的内容应不断地增量 （加“1”），以控制指令的顺序执行。 遇到需要改变程序执行顺序的情况时，将转移的 目标地址送往PC，即可实现程序的转移。 指令寄存器（IR） 指令寄存器用来存放从存储器中取出的指令。
3.联合控制方式 这是同步控制和异步控制相结合的方式。实际上 现代计算机中几乎没有完全采用同步或完全采用异 步的控制方式，大多数是采用联合控制方式。 一种情况是，大部分操作序列安排在固定的机器周 期中，对某些时间难以确定的操作则以执行部件的 “回答”信号作为本次操作的结束。例如CPU访问主 存时，依靠其送来的“READY”信号作为读／写周期 的结束。 另一种情况是，机器周期的节拍脉冲数固定，但是 各条指令周期的机器周期数不固定。
由于不同的指令，操作时间长短不一致，同步控制 方式应以最复杂指令、最复杂的微操作时间作为统 一的时间间隔标准。这种控制方式设计简单，容易 实现，但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲 时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令 的执行速度。
计算机组成原理-第6章 中央处理器
9、制造工艺 线宽是指芯片内电路与电路之间的距离，可 以用线宽来描述制造工艺。线宽越小，意味着芯 片上包括的晶体管数目越多。Pentium Ⅱ的线宽 是0.35μm，晶体管数达到7.5M个；Pentium Ⅲ的 线宽是0.25μm，晶体管数达到9.5M个；Pentium 4的线宽是0.18μm，晶体管数达到42M个。近年 来线宽已由0.15μm、0.13μm、90nm一直发展到 目前最新的65nm，而45nm和32nm的制造工艺 将是下一代CPU的发展目标。
4、前端总线频率 前端总线（Front Side Bus），通常用FSB表 示，它是CPU和外界交换数据的最主要通道，主 要指连接CPU和北桥芯片，因此前端总线的数据 传输能力对计算机整体性能作用很大。 在Pentium 4出现之前，前端总线频率与外 频是相同的，因此往往直接称前端总线频率为外 频。随着计算机技术的发展，需要前端总线频率 高于外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate） 技术或者其他类似的技术，使得前端总线频率成 为外频的2倍、4倍甚至更高。
从程序运行的角度来看，控制器的基本功能 是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的 控制。
对指令流的控制： 指令流出的控制 指令分析与执行的控制 指令流向的控制
对数据流的控制主要应包括对数据的流入 与流出的控制；对数据变换、加工等操作的控 制。
对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流 是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据 流是由指令流来驱动的。
… 状态寄存器 节拍发生器 译码器 地址形成中断控制逻辑
指令结束 中断请求
时钟
操作码
地址码
1、指令部件 指令部件的主要任务是完成取指令并分析指 令。指令部件包括： ⑴ 程序计数器（PC） ⑵ 指令寄存器（IR） ⑶ 指令译码器（ID）：指令译码器又称操作码译 码器或指令功能分析解释器。暂存在指令寄存器 中的指令只有在其操作码部分经过译码之后才能 识别出这是一条什么样的指令，并产生相应的控 制信号提供给微操作信号发生器。
计算机组成原理(第六章)
• • • • 中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。 运算器主要用来完成各种算术和逻辑运算功能； 寄存器：用来存放中间结果、缓冲作用 控制器是全机的指挥中心，在在它的控制下，计算机总是遵循“取指令， 执行指令，取下条指令，执行下条指令…”这样周而复始地工作直到停机 为止。 控制器对指令的执行过程的控制有三种方式： – 同步控制方式
• 现代计算机系统广泛采用的方式 • 基本思想：将每个指令周期分成多个机器周期，每个机器周期中再分成 多个节拍，于是各条指令可取不同的机器周期数作为各自的指令周期。 如简单指令包含一个机器周期，复杂指令可包含多个机器周期。 • 这种方式不浪费很多时间，控制上又不十分复杂。
二、控制器的功能与组成 1、控制器的功能
WE M
RD M
RD M
ZF＝1？
IR(ADR)→PC
写入操作
读出操作
AC+MDR→AC
读出操作
AC∩MDR→AC
0→启停逻辑
第六章 中央处理器 (10)
四、时序部件
– 指令的执行过程严格按照指令操作流程图所规定的时序定时； – 时序部件用来产生必要的时序信号为机器周期和节拍信号定时； – 根据组成计算机各部件的器件特性，时序信号通常采用“电位－脉 冲”制。 – 时序部件的构成
C0～C31
译码器
Hale Waihona Puke XXXXX 控制字段源部件地址
目标部件地址
地址字段
第六章 中央处理器 (19)
(2)、微指令的地址字段 – 微程序有两种不同的顺序控制方式：断定方式和增量方式。两种方 式下地址字段的设置不同。 – 断定方式
• 微指令在CM可不顺序存放 • 外部测试条件的考虑
计算机组成原理中央处理器CPU(共77张PPT)
第6页，共77页。
控制器的组成与主要功能
控制器的组成：
指令部件 程序计数器
指令寄存器 指令译码器 时序部件 脉冲源 节拍信号发生器
启停控制逻辑
微操作信号发生器
中断控制逻辑
控制器的主要功能：
从内存中取出一条指令，并指出 下一条指令在内存中的位置
对指令的操作码进行译码，并产生 相应的操作控制信号。比如，一次 内存读写操作，或一个算术逻辑运 算操作等。
0001001001001000 规律变化，从而输出节拍电位T0、T1、 T2、T3 。
4、控制器的核心部件
微操作信号发生器：控制器的核心部件，其功能是根据指令
操作码、状态信息和时序信号，产生各种微操作控制信号，以 便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的任务。 根据产生微操作控制信号的不同方式，控制器分为组合逻辑型、 存储逻辑型以及组合逻辑与存储逻辑结合型三种。采用组合逻 辑实现的控制器称为组合逻辑控制器，采用存储逻辑实现的控 制器称为微程序控制器。
程序现在已经进行到第四条指令 “NOP”指令，这是一条空操作指令。这里不再给出 指令周期图，其中第一个CPU周期中取指令，CPU把23号单元的“NOP”指令取出放 到指令寄存器，第二个CPU周期中执行该指令。因译码器译出是“NOP”指令，在第 二个CPU周期中微操作信号发生器不发出任何控制信号。
程序进行到第五条指令，即 “JMP 21”指令，这是一 条程序控制指令。其含义是 改变程序的执行顺序，无条 件地转移到地址21执行指令。 JMP指令周期由两个CPU 周期组成 。我们从第二个 CPU周期讨论。
“取指令”阶段，而取数据事件发生在指令周期的后面几个CPU周期，即发
生在“执行指令”阶段。
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1．取指令阶段 第一条指令的取指阶段如图6-9所示
CPU 算术逻辑单元 状态条件寄存器 000 006 累加器 操作控制器 时序发生器 指令译码器 程序计数器 000 020 ＋1 CLA 地址寄存器 000 020 CLA 指令寄存器 时钟 状态反馈
地址总线
地址 020 021 022 … 040 …
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（3）微周期：从控制存储器读取一条微指令并执 行相应的一步操作所需的时间称为微周期或微指令周 期。通常一个时钟周期为一个微周期。 （4）微指令：从展开的角度来讲，每个微周期的 操作所需的微命令（全部或大部分）组成一条微指令。 从控制存储器的组织角度讲，每个单元存放一条微指 令。图6-16所示为微指令格式的例子。
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6.5.3 组合逻辑控制器和微程序控制器的比较 组合逻辑控制和微程序控制之间的最显著 差异可归结为两点 : 1．实现 2．性能
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6.6 流水线技术 6.6.1 基本概念 一条指令的执行过程大体上可分为去指令和执行 指令两个阶段。假定Fi和Ei分别表示指令Ii的取指令和 执行指令周期，图6-20（a）显示的是按取指令、执行 指令的顺序执行程序的过程。现在将处理器的指令部 件分成两个独立的硬件单元，一个用来取指令，另一 个用来执行指令，如图6-20（b）所示。取指令单元将 从存储器取回的指令存放在一个临时存储缓冲器B1中 直到该指令被执行完成，执行单元将结果存放在指令 指明的目的地。为简单起见，假定取指令周期和执行 指令周期都在一个时钟周期内完成。图6-20（c）显示 了流水线技术的指令执行过程。
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6.4.3 微程序控制器的设计技术 1．微指令编码
…… 操作控制字段 顺序控制字段
μ IR
（a）直接表示方法
译码
译码
……
译码
字段1 字段2
……
字段n
顺序控制字段
μ IR
（b）编码表示方法 图6－18 微指令编码图解
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微指令编码方式由多种，在这里主要介绍常用的 三种 : （1）直接表示法。 （2）编码表示法。 （3）混合表示法。
图6－6 取指令－执行指令序列
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1.指令周期 2.机器周期 3.时钟周期（节拍） 一个指令周期由若干个机器周期组成，所有指令 的第一个CPU周期一定是取指周期，每个机器周期又 由若干个时钟周期组成。根据指令动作的复杂程度不 同，有的指令周期包含的CPU周期较多，有的则较少。 它们之间的关系如图6-7所示。
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5.3.3 访存（ADD）指令周期 程序的第二条指令是“ADD 40”指令，这是一条 直接访问内存的指令。执行这条指令需完成三个CPU周期，如 图6-11所示。
开始 取指令 地址译码 PC+1 指令译码 第一个CPU周期 取指与译码 送操作数地址
取出操作数
执行操作
取下一条指令
存储器 指令/数据 CLA ADD 40 JMP 21 … 000 006 … 图6－9 取出CLA指令
数据总线
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2．执行指令阶段 CLA指令的执行阶段如图6-10所示。
CPU
清AC 算术逻辑单元 状态条件寄存器 000 000 累加器
指令执行控制 操作控制器 时序发生器 指令译码器 时钟 状态反馈
5.3 指令周期
5.3.1指令周期的基本概念 计算机之所以能自动地工作，是因为CPU能从存放程 序的内存里取出一条指令并执行这条指令，并且能够连续地取 指令，执行指令……如此周而复始，构成了一个封闭的循环。 这个循环将一直继续下去，直到遇到停机指令才能停止，如图 6-6所示。
开始
取一条指令
执行该指令
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（2）将各种机器指令的操作分解成若干个 微操作序列。每条微指令包含的微命令控制实现一步 操作。若干条微指令组成一小段微程序，解释执行一 条机器指令。针对整个指令系统的需要，编制出一套 完整的微程序，事先存入控制存储器中。这一思想是 利用程序技术去编排指令的解释与执行，也就是将程 序技术引入CPU的构成级。
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6.5.2 组合逻辑控制器的设计原理 组合逻辑控制器是根据指令功能要实现的 微操作序列设计的，它的设计过程可归纳为：首先给 定指令系统中每条指令功能实现的流程图，继而细化 它，得到各指令的微操作序列，即各操作控制命令应 该在什么时间执行；然后对各操作控制命令进行逻辑 综合得到逻辑表达式；最后用逻辑门电路或可编程逻 辑阵列实现操作控制信号的逻辑表达式功能。 逻辑综合的含义是，某一控制命令在哪些 指令中被使用？在一条指令中使用了几次？在指令周 期中的什么时间使用？将这些归并在一起就形成该控 制命令的逻辑表达式。
图6-16
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（5）微程序：一系列微指令的有序集合称为微程 序，用来解释执行机器指令。因此，一段微程序对应 一条机器指令。 （6）控制存储器：存放微程序的只读存储器称为 微指令存储器。由于它主要存放控制命令（信号）和 下一条要执行的微指令地址，因此又称控制存储器。 计算机的指令系统是固定的，实现这个指令系统的微 程序也是固定的，所以控制存储器采用只读存储器。
程序计数器
000 021 CLA 指令寄存器
地址寄存器
000 020
CLA
地址总线
地址 020 021 022 … 040 …
存储器 指令/数据 CLA ADD 40 JMP 21 … 000 006 … 图6－10 执行CLA指令
数据总线
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在此阶段，CPU的动作如下： （1）操作控制器送CLA相应的控制信号给算术逻 辑单元ALU； （2）ALU响应该信号，将累加寄存器AC内容全 部清零，从而执行了CLA指令。
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6.5 组合逻辑的控制器
6.5.1 组合逻辑控制器的基本结构 如图6-19所示为组合逻辑控制器的结构框图。
操作控制信号 … 指 令 寄 存 器 指 令 译 码 器 S1（状态） 操作控制器 （组合逻辑线路） S2（状态）
…
… 时序产生器 图6－19 组合逻辑控制器结构框图
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5.4.2 微程序控制器的组成 1．程序控制器的组成 微程序控制器的逻辑组成框图如图6-17所示。
微命令系列 IR PSW PC 微地址 形成逻辑 … ID … ID
…
顺 序 控 制 方 式
微 地 址 给 定 部 分
微操作控制字段
顺序控制字段
μ IR
……
μ AR
ROM
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微程序控制器中要用到的一些基本概念 : （1）微命令：构成控制信号序列的最小单位称为 微命令，又称微信号，通常是指那些直接作用于部件 或控制门电路的命令，例如打开或关闭某传送通路的 电位命令，或是对触发器或寄存器进行同步打入、置 位、复位的控制脉冲。 （2）微操作：由微命令控制实现的最基本的操作 称为微操作，如开门、关门、选择、打入等。机器指 令操作码所表示的往往是一种相对大一些的操作（宏 观一些），如加法运算。它的实现要依靠建立相应的 数据通路，如打开一些门、发出相应的打入脉冲等， 即分割为一些更基本的微操作。
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2．垂直微指令 在微指令中设置有微操作码字段，采用微操作码 编译法，由微操作码规定微指令的功能，成为垂直型 的微指令。其特点是不强调实现微指令的并行控制功 能，通常一条微指令只要求就能控制实现一二种微操 作。 （1）寄存器-寄存器传送型微指令 微指令格式：
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2．微地址的形成方法 产生后继微指令地址可有以下三种方式: （1）计数器方式 （2）断定方式 （3）增量方式与断定方式结合
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6.4.4 微指令格式 微指令格式大体上可分成两类：一是水平型微指 令；二是垂直型微指令。 1．水平型微指令 水平型微指令的特点是在一条微指令中定义并执 行多个并行微操作命令。在实际应用中，直接表示法 和编码表示法经常应用在同一条水平型微指令中。从 速度来看，直接表示法最快，字段编译法要经过译码， 所以会增加一些延迟时间。
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T周期
T1
T2
T3
T4
T1
T2
T3
T4
CPU周期（取指令） 指令周期
CPU周期（执行指令）
图6－7 指令周期示意图
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5.3.2 非访存（CLA）指令周期 程序的第一条指令“CLA”是一条非访存指令，执行非访 存指令需要两个CPU周期，其中取指令阶段一个CPU周期，执行 指令阶段一个CPU周期。其指令周期如图6-8所示。
第二个CPU周期 第三个CPU周期 执行指令 图6－11 ADD指令的指令周期
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1．送操作数的地址 第二个CPU周期主要完成送操作数地址，其数据通路如 下图所示。
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2．两操作数相加
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