第6章 中央处理器

教学内容安排•第一章绪论

•第二章数码系统

•第三章运算方法和运算器

•第四章存储系统

•第五章指令系统

•第六章中央处理器

•第七章输入输出设备

•第八章输入输出系统

第六章中央处理器

•6.1CPU的组成及功能

• 6.2指令的执行过程

• 6.3微程序控制器

• 6.4中断系统

•*6.5流水结构

教学重点和难点

•cpu的功能和组成、指令的执行过程和中断系

统

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能

•中央处理器（CPU）

–是计算机的大脑，计算机的运算、控制都是由它来处理的。

它的发展非常迅速，其主要功能就是控制各部件的协调工作–CPU的四个主要功能：指令控制、操作控制、时间控制、数

据加工。

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能

•CPU的组成

–由两个主要部分组成：控制器和运算器。这两部分功能不

同，配合工作。

–运算器的功能：执行所有的算术运算、执行所有的逻辑运算。

–控制器功能有：1、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。2、对指令进行译码或测试，并产生相应

的操作控制信号。3、指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备

之间数据流动的方向。

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•运算器部分

–在控制器的控制下完成各种算术和逻辑运算。

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能

•运算器组成

–ALU（由全加器组成），输入：累加器、暂存器，输出：内部数据总线

–寄存器：1、通用寄存器组2、标志寄存器3、专用寄存器

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•控制器部分

–程序计数器PC：功能：完成指令控制、操作控制、时序控制

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能

•控制器组成

–程序计数器PC：存放待执行指令在存储器中的地址。任何程序执行前，应将程序的首地址置入PC中，通常，PC内容顺序

加1；遇到转移指令，将转移的目标地址置入PC，即可实现程

序转移。

–指令寄存器IR：存放从存储器中取出的待执行的指令。

–指令译码器ID：暂存在IR中的指令，其操作码部分经译码后才能识别当前要执行指令的性质，ID的功能也在于此。

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•控制器组成

–数据缓冲寄存器（MDR）,用来存放CPU从主存读来的一个指令字或者一个数据字，简称“缓冲寄存器”。

–地址寄存器（MAR）,用来保存当前CPU所要访问的主存单元或I/O端口地址。

–时序部件,用来产生计算机工作过程中所需要的各种时序号。

–操作控制器：操作控制器根据指令操作码的操作规定，产生时序信号和各类操作控制信号，以便正确地建立数据通道，

从而完成指令规定的执行功能。

第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能

•CPU功能

–因为整个计算机工作的过程，就是反复的取指令、分析指令、执行指令的过程。所以作为计算机中的核心部件，控制器要

完成如下几个任务：

–取指令

–分析指令

–数据流控制

第六章中央处理器• 6.1CPU的组成及功能

•6.2指令的执行过程

• 6.3微程序控制器

• 6.4中断系统

•*6.5流水结构

教学重点和难点

•指令的执行过程

第六章中央处理器 6.2 指令的执行过程

•计算机的工作过程就是执行机器指令的过程，总是遵

循着“取指令，执行指令，取下一条指令，执行下一条

指令……”周而复始的工作，直到停机为止。

•一条指令的执行过程应该是从主存中取出该指令开始

到执行完该指令功能为止。

第六章中央处理器 6.2 指令的执行过程

•指令周期基本概念

–时钟周期（节拍）：计算机操作的最小时钟单位。通常把定时振荡器两相邻脉冲上升沿之间的间隔称为一个时钟周期。

–机器周期（总线周期）：主存储器的一个访问周期，即CPU 与外部电路之间进行一次数据传送操作所需的时间。

–指令周期：一条机器指令从主存储器中取出到执行完毕所需要的时间，通常可分为取指令、分析指令和执行指令两个阶

段。

第六章中央处理器 6.2 指令的执行过程指令操作流程

取指令——指令译码（分析指令）——取操作数——执行指令—

—存放运算结果

第六章中央处理器 6.2 指令的执行过程取指令操作流程

•假定每个机器周期内包含4个节拍（T1～T4）。

T1拍：PC→MAR（地址寄存器）→外部地址总线。

T2拍：CPU由外部控制总线向主存储器发出读指令。

T3拍：等待主存读出指令，并完成修改PC功能。

T4拍：从存储器读出的指令经数据缓冲器（MDR）置入指令寄存器IR，并对其操作码进行译码，完成分析指令功能。

第六章中央处理器 6.2 指令的执行过程取数指令机器周期操作流程图

T1拍：将指令中的地址码置入主存储器的地址寄存器（MAR）

T2拍：向主存储器发出读命令

T3拍：等待主存读出数据到MDR。

T4拍：将MDR的内容置入寄存器中。

同样是取数指令，采用的寻址方式不同，需要的机器周期数也不同。

第六章中央处理器 6.2 指令的执行过程•练习：简要说明加法指令ADD R0，R1的执行步骤。

•（1）程序计数器（PC）的内容送地址寄存器；

•（2）读内存，读出内容送指令寄存器（IR）；PC内容+1（增量）；

•（3）R0、R1送ALU，ALU执行加运算，运算结果存回R0寄存器；保存运算结果的特征状态。

•（4）检查有无中断请求，有，则响应中断，无则转入下一条指令的执行过程。