第五章_中央处理机资料

运算器、控制器 、片内Cache； 控制器的主要功能
从内存中取出一条指令，并指出下条指令的存放位置；PC、IR
对指令进行译码，产生相应的操作控制信号； CU、时序电路、 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动；操作控制器
运算器的主要功能：
执行所有的算术运算；
ALU、通用寄存器组、
执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。标志寄存器
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5.2.1 指令周期的基本概念
CPU执行程序是一个“取指令—执行指令”的循环过程。 指令周期
CPU从内存中取出一条指令，并执行的时间总和； CPU周期
又称机器周期，一般为从内存读取一条指令字的最短时间； 一个CPU周期可以完成CPU的一个基本操作。 时钟周期 也叫节拍脉冲或T周期，是计算机处理操作的基本时间单位。
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考研大纲要求
（一）CPU的功能和基本结构
（二）指令执行过程
（三）数据通路的功能和基本结构
（四）控制器的功能和工作原理
1. 硬布线控制器
2. 微程序控制器
① 微程序、微指令和微命令
② 微指令的编码方式；微地址的形成方式
（五） 指令流水线
1. 指令流水线的基本概念
2. 超标量和动态流水线的基本概念
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102 LAD R1 , 6 取数指令LAD从6号单元中取数100R1
103 ADD R1 , R2 加法指令ADD执行(R1)+(R2)R2,结果为(R2)=120
104 STO R2 , (R3) 存数指令STO用(R3)间接寻址,(R2)=120写入30号单元
105 JMP 101
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5.1 CPU的组成和功能
5.1.1 CPU的功能 5.1.2 CPU的基本组成 5.1.3 CPU中的主要寄存器 5.1.4 操作控制器与时序产生器
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5.1.1 CPU的功能
CPU（中央处理器）
控制程序按设定方式执行；
CPU的主要功能：
指令控制
顺序寻址、跳跃寻址
动画演示：5-2.swf
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关于指令周期
一个完整的指令周期由若干机
器周期：
取指ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ期——间址周期——
执行周期——中本断教周期材上，间址周
所有指令的第一个期机和器周执期行必周期统称
为取指周期；
为执行周期！
一个基本的CPU周期包含4个时 钟周期，对于某些CPU周期可 以包含更多的时钟周期。
第5章 中央处理机
目录
5.1 CPU的功能和组成 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 CPU 5.9 多媒体CPU
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——掌握 ——掌握 ——了解 ——掌握 ——了解 ——了解 ——掌握 ——了解 ——了解
2. 通用寄存器 功能：暂时存放ALU运算的数据或结果。 CPU中的通用寄存器可多达16个，32个，甚至更多。
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5.1.3 CPU中的主要寄存器（2/3）
3.状态条件寄存器（PSW） 保存各种状态和条件控制信号；
进位标志(C)，溢出标志(V)，零标 志(Z)，符号标志(N)
不同指令的指令周期所包含的 时钟周期个数不一定相同。
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求操作数 有效地址
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一个简单的程序
地址 指令
说明
地址 5 6 7 10 … 30
数据 70 100 66 77 … 40（120）
100
程序执行前设置(R0)=00,(R1)=10;(R2)=20,(R3)=30
101 MOV R0 , R1 传送指令MOV执行(R1)R0
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CPU模型图
运算器
动画演示：5-1.swf
Cache
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控制器
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5.1.3 CPU中的主要寄存器（1/3）
1. 数据缓冲寄存器（DR） 暂时存放CPU与外界传送的数据，可以是指令字或数据字。 作用 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；
控制程序的执行顺序；
操作控制 对指令操作码译码后产生控制信号 产生和发送各操作信号；
时间控制 维持各类操作的时序关系
控制指令、或操作的实施时间；
数据加工 由ALU完成具体的运算 对数据进行算术逻辑运算；
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5.1.2 CPU的基本组成
现代的CPU的组成
冯·诺依曼机的定义
每个信号由一个触发器保存，从而拼成一个寄存器。 4.地址寄存器（AR）
保存当前CPU所访问数据的内存单元地址； 主要用于解决主存/外设和CPU之间的速度差异，使地址信
息可以保持到主存/外设的读写操作完成为止
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5.1.3 CPU中的主要寄存器（3/3）
5.程序计数器（PC）
始终存放下一条指令的地址，对应于指令Cache的访问；
其内容变化分两种情况
顺序执行： PC+1PC 转移执行： (指令OPR)PC
6.指令寄存器（IR）
计数功能 寄存功能
保存当前正在执行的一条指令。
指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。
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5.1.4 操作控制器与时序产生器
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数据通路的建立
写入 读出 运算 类型
写入 读出
写入 读出
锁存
锁存
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写入 读出
增量 写入 读出
写入 读出
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5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念 5.2.2 MOV R0 , R1指令的指令周期 5.2.3 LAD R1 , 6指令的指令周期 5.2.4 ADD R1 , R2指令的指令周期 5.2.5 STO R2 , (R3)指令的指令周期 5.2.6 JMP 101指令的指令周期 5.2.7 用方框图语言表示指令周期
数据通路
寄存器之间传送信息的通路。
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；
建立正确地数据通路，从而完成指令的执行。 根据设计方法不同，操作控制器可分为
① 硬布线控制器： 采用时序逻辑技术实现；
② 微程序控制器： 采用存储逻辑实现；
③ 前两种方式的结合；
时序产生器
对各种操作实施时间的控制。