第五章中央处理器1培训资料

3、时间控制（指令的各个操作实施时间的定时）wenku.baidu.com
每条指令的定时 每个微操作的定时
4、数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的 加工处理，是CPU的根本任务。
5.1.2 CPU的基本组成
CPU 模型如下所示：
运算器
控制器
图5.1 CPU 模型
5.1.3 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
第五章 中央处理器
5.1 CPU功能和组成 5.2 指令周期 5.3 时序产生器和控制方式 5.4 微程序控制器 5.5 硬连线控制器
5.6 传统CPU 5.7 流水CPU 5.8 RISC的CPU 5.9 多媒体CPU
5.1 CPU的功能和组成
5.1.1 中央处理机（CPU）的功能
1、指令控制（程序执行顺序的控制）：程序是一个指令序列，这些指 令的相互顺序不能任意颠倒，保证机器按顺序执行程序时CPU的首要任 务。 2、操作控制（根据指令的功能发出若干个操作信号），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动作。
(3) 程序计数器PC (Programming Counter)
用来存放正在执行的指令的地址或接着将要执行的下一 条指令的地址。顺序执行时，每执行一条指令，PC的值应 加1，要改变程序执行顺序的情况时，一般由转移类指令将 转移目标地址送往PC ，可实现程序的转移。
(4) 地址寄存器AR：保存当前CPU所访问的数据cache存储器单元的地址。
(1) 标明图中四个寄存器的名称。 (2) 简述指令从主存取到控制器的数据通路。 (3) 数据在运算器和主存之间进行存/取访问的数据通路。
2.请说明指令周期、机器周期、时钟周期之间的关系。
2.指令周期是指取出并执行一条指令的时间，指令周期常 常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称为机器周 期，而一个CPU周期又包含若干个时钟周期（也称为节 拍脉冲或T周期）。
思考：各种指令的指令周期相同吗？ 表5.1
5.2.2 MOV指令的指令周期 1、取指周期
2、执行周期
1、MOV指令取指周期，cpu的动作 ②①P③④⑤⑥程C序的从指C程P计内1令序U0数容寄识1计号器被存别数地P放器出器C址到中是中内读指的M装容出令O操入加的V地作第1指M址，码一令O变总（条V，成线指O指至PA1令令此0B通2地U，，过S址取为（指1指取I0）令1周下（上总期一八，线即条进对IB告指制指U结令S）存装束做；进入。好行指准译令备码寄；，存并器启IR动；读命令；
(5) 通用寄存器R0-R3 为ALU提供一个工作区。 (6) 状态字寄存器PSW
5.1.4 操作控制器和时序产生器
信息如何在各寄存器之间传送？数据的流动是由什 么部件控制的？
（1）数据通路： 寄存器之间传送信息的通路。 （2）操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种
操作控制信号；选择正确的数据通路。
5.2.6 JMP指令的指令周期
图5.13 JMP指令的指令周期 ②容JM①送1OP0到指C6O被发DC令更B出发执U换操生行S。作周操上于控期作；是制结控下命束制一令。命条，指令将令D，B不打U是S开上从指的10令地6号寄址单码存元1器0取1IR打出的入，输到而出程是序转三计移态数到门器1，0P1将C号中I单R，元中P取的C出中地。的址至原码此先1内01发
微程序控制器的设计思想和时序逻辑设计思想截然不同。 它具有设计规整、调试、维修以及更改、扩充指令方便的
优点，易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。
由于它增加了一级控制存储器，所以指令执行速度比时 序逻辑控制器慢。
2、时序产生器
操作控制器产生的控制信号必须定时，为此必须有时 序发生器。时序产生器的作用，就是对各种操作信号实施 时间上的控制。
5.2.4 ADD指令的指令周期
ADD指令是RR型，在运算器中有两个寄存器R1和R2 的数据进行加法运算。指令周期只需两个CPU周期，其中一 个是取指周期。下面介绍其执行周期，CPU完成的动作见图 5.9
ADD R1,R2
5.2.5ADD指令的指令周期 ⑤A②D③④进① 标ODO位C指OO寄操C送信CC令存作送送出号执器控出出控保行制控控制存周器制制命状期O命命令态结C令令，字送束到，，将寄出A打将D存控LR开D器U制（B，A在命U1L指2SPU令0上S定输）到W数A出装通中L据三入U用打做态R寄入2R门存，缓，器R1冲运2（，中寄算1选原存0结择0来器）果R的D和11R2做内R0；源容放A寄22到L（0U存D被2产B器0冲U生），掉S的上R。2加至做法此目操作
指存读
指存地址总线
数存读
数存写
公操作
用方框图语言表示指令周期
例1双总线结构机器的数据通路图（P30页）
ADD R2,R0
SUB R1,R3
微操作 信号
微操作 信号
ALU0
图5 .16 加法和减法指令周期流程图
ALU0
总结：
1、一条指令包括一个取指令周期和一个执行周期组成。 2、在每个CPU周期中数据通路是明确的。 3、数据通路的建立及操作受到操作控制器的控制，当 然决定于是什么指令。
习题. CPU中有哪些主要寄存器？简述这些寄存器的功能。
解：CPU有以下寄存器： 指令寄存器（IR）：用来保存当前正在执行的一条指令。 程序计数器（PC）：用来确定下一条指令的地址。 地址寄存器（AR）：用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。 缓冲寄存器（DR）： <1>作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站。 <2>补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。 <3>在单累加器结构的运算器中，缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存 器。 通用寄存器（AC）：当运算器的算术逻辑单元（ALU）执行全部算术 和逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。 状态条件寄存器：保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立 的各种条件码内容。除此之外，还保存中断和系统工作状态等信息， 以便使CPU和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。
5.2.3 LAD指令的指令周期
取指周期 执行周期
LAD R1,6
LAD指令的执行周期
LAD R1,6
⑤被③①码②冲O6O操④放O掉CC作C发L到O。发发A控C出数至出D出发制命据指此读操出器令总令，命作命O，线的L令C命令A将D执发，D令，BD行出将指U，将R周S控数令中将D上期制存执B的地；见U命6行数址号S图令周1上码单05打期的06元装装开结数8中入入所I束据R的通数示输1数0用存。出01寄地装C三0P0存址入态读U器寄缓门执出R存冲，行到1器寄将的，DA存B指动原RU器令作来；SD中如上RR1的下；；中直：的接数地10址
根据设计方法不同，操作控制器分为：
时序逻辑型
存储逻辑型
• 硬连线控制器
• 微程序控制器
• 采用时序逻辑技术来实现 • 采用存储逻辑技术来实现
1、硬连线控制器
硬连线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的， 其时序控制信号形成部件是由门电路组成的复杂树形网络。
该方法是分立元件时代的产物,以使用最少器件数和取 得最高操作速度为设计目标
CPU
指令 数据
DR
指令 数据
内存 或I/O
通用寄存器
①作为ALU运算结果和通用寄存器之间信息传送中时间上 的缓冲； ②补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。
(2) 指令寄存器IR (Instruction Register)
指令寄存器用来存放从存储器中取出的待执行的指令。在执 行该指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化，以保证 实现指令的全部功能。
5.2.5 STO指令的指令周期 STO R2，(R3)
STO R2，(R3)
图5.11 STO指令的执行周期
①③②⑤ ⑥操OO④C作COO发发O控CC出C发发出制发操出出操器出作操操作O操命作作C命作送令命命令命出，令令，令操将，，打到作地打将开通命址开数通用令3通据用0寄到打用1寄2存通入寄存0器写用A存器R，入寄器输选数存输出择存器出三（3，三态0R选号态门2择单）门将（元=，地1R，将2址30它数）3，0原据=放3先10到2为的0D放数BU到据SD存4上0B储被；U器S冲上的掉。地。 址单至元此；，STO指令执行周期结束。
5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念 5.2.2 典型指令的指令周期 5.2.3 用方框图语言表示指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念
思考：计算机为什么能自动工作？
概念
指令周期：取指指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间。 指令周期由若干个机器周期组成，每个机器周期完成一个基本操作。 机器周期通常又称CPU周期。 一个机器周期中，包含若干个时钟周期（节拍脉冲或T脉冲）。 不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。
CPU中，至少要有六类寄存器，如图5.1所示。 (1) 数据缓冲寄存器DR (2) 指令寄存器IR (3) 程序计数器PC
(4) 数据地址寄存器AR (5) 通用寄存器R0-R3 (6) 状态字寄存器PSW
(1) 数据缓冲寄存器DR：暂时存放ALU的运算结果，或 由数据存储器读出的一个数据字，或来自外部接口的一 个数据字。它的作用如下所示：
（2）PC→AR→主存 → 缓
DR
AR
冲寄存器DR → 指令寄存器
IR → 操作控制器
IR
（3）存储器读：M → DR
PC
→ ALU → AC
存储器写：AC → DR → M
2、CPU结构如图所示，其中一个累加寄存器AC，一个状态条件寄存器和其 它四个寄存器，各部分之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。
5.2.7 用方框图语言表示的指令周期
在进行计算机设计时，可以采用方框图语言来表示指 令的指令周期。
方框——一个CPU周期。 方框内内容——数据通路操作或某种控制操作。 菱形符号——判别或测试，不单独占用一个CPU周期。 ~——公操作符号 取下一条指令或与外围设备交换数据。
前边所讲述的5种操作的框图描述如下：
2、执行指令阶段（执行周期）
⑤1①选③注0。O择意④操OC至R，C作送O送此任控C出0出，何送制控控M时出器5制O②制.候控2（V信.信O2D制指O号MCB号信C令O送U，），号执VS出将送打指上，行控D出开令只将结R制控A的能中D束信LB制指有的。U号U信令一输数S到号周个出上据A到期数三的1L0U通-态据数打执，用门。据入行指寄，打到定存将入目A器A到标LLU，数寄U做选据输存传择缓出器送R冲送R操10寄到（，作存数1R；0器据0）的D总作内R线源（容D寄1由B0存U）0S0器；变上，为。
时序逻辑控制器的最大优点是速度快，但是时序控 制信号形成部件的结构不规整，使得设计、调试、维修较 困难，难以实现设计自动化。
2、微程序控制器 微程序控制器是采用存储逻辑来实现的，也就是把微操作
信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序并存入一个专 门的存储器(控制存储器)中，微操作控制信号由微指令产生。