计算机组成原理(第三版)第5章 中央处理器
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• *1.地址加法器Σ：将地址寄存器的内容与偏移量相加形成变址、基址 、相对等寻址方式和段寻址后的实际地址EA；
• *2.地址寄存器 AR：保存当前CPU所访内存单元的地址，需保持到读 /写操作完成，是CPU的地址出口，外接AB；
• *3.地址寄存器组：由专用地址寄存器（变址寄存器、基址寄存器、 堆栈指针，指令指针）组成，用于提供形成操作数的有效地址EA时 所需的基准地址。
定的操作对象进行加工和处理。
• 二、CPU的基本组成：
• 1.传统CPU：运算器（ALU、ACC、F或PSW、通用寄存器组）+控 制器（IU、CU、TU、AU）。
• 2.现代CPU：运算器（GPU+FPU+定点ALU+阵列乘除法器，标量与 超标量结构）+控制器（RISC/CISC复合控制，流水与超流水）+哈 佛结构的一级Cache和混存结构的二级Cache 。
CS=1,WE=1
CB
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三、指令执行过程和信息通道的建立：
• 3.执指：例3、 ADD R0,[2050H]
AU
+1给出下一条指令的地址；当遇到转移指令、调子指令、返回指令 、中断操作时由指令、堆栈或I/O接口芯片提供新地址→PC； • *2. 指令寄存器IR：用于存放由主存取出的指令→OP码+地址码； • *3. 指令译码器：用于对IR中的指令OP码进行译码，形成译码信号 。
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CPU的数据出入口，外接DB。
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2. 控制器
• 控制器的功能：根据指令的规定完成对整个计 算机系统操作的协调和控制。
• 控制器的组成：IU、CU、TU、AU。
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2. 控制器
• IU 的基本组成：指令部件IU（IP、IR、ID）完成取指操作。 • *1. 指令指针PC或IP：给出正在执行（当前）指令的地址，并自动
ຫໍສະໝຸດ Baidu
• 3.执指：例1、 LDA R0,[2050H] 读内存过程：
AU
AB
DB
IR（D）=>AR ┇ => ┇ MAR =>MAD =>MM =>MDR ┇ => ┇ DR =>R0
CS=1,WE=0
CB
•
例2、 STA [2050H],R0 写内存过程：
AU
AB
DB
IR（D）=>AR ┇ => ┇ MAR =>MAD =>MM <=MDR ┇ <= ┇ DR <=R0
第 5 章 中央处理器CPU
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1
5.1 CPU的组成和功能
• 一、CPU的功能：自动完成取指和执指操作的部件。
• 1.指令控制功能： • 由IP或PC完成对程序的顺序控制并取指。该功能由指令部件IU
（IP、IR、ID）予以完成。 • 2.操作控制功能： • 由操作控制部件(控制信号形成部件)CU对所取指令进行分析后形
• *3. 启停控制逻辑：负责对时钟脉冲的输出与封锁，从而实现 计算机的启动与停机。
• 注：节拍电位 M：空间上独立输出的机器周期信号M1～M4；
•
节拍脉冲 T：空间上独立输出的时钟周期信号T1～T4。
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2. 控制器：
• AU的基本组成：地址形成部件AU由地址加法器、专用寄存器（变址 、基址、堆栈指针，指令指针）、段寄存器、地址寄存器AR组成， 用于形成操作数的有效地址EA。
全部控制信号（微命令）→与CPU的CB相连。
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2. 控制器
TU的基本组成：
时序部件TU由时钟源、节拍发生器、启停控制逻辑组成。
• *1.时钟源：提供时钟脉冲（晶振+振荡器）；
• *2.节拍发生器：提供节拍电位M与节拍脉冲T（建立微操作序 列的时序关系）；
2. 控制器
CU 的基本组成：操作控制信号形成部件CU用于形成控制信号 • *1. 其组成：分别由组合逻辑电路（与门阵列+或门阵列）、
控制ROM（微程序只读存储器）构成； • *2. 其输入为：指令译码信号、TU产生的节拍电位M和节拍脉
冲T、F的状态信号、中断与总线的请求信号； • *3. 其输出为：经CU综合分析与处理后形成的相应指令所需的
成指令操作所需的全部控制信号（微命令），送往运算器（内部 控制操作）和各系统部件（外部操作控制）；各控制信号所起的 作用为门控和选通，以控制信息流的走向，来完成指令规定的操 作。 • 3.时间控制功能： • 由时序部件TU产生空间上独立输出的时间标准信号（指令周期 、CPU周期、时钟周期信号），提供给CU作为时间基准，使各微 操作控制信号在规定时间定时发出（有效）。
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三、指令执行过程和信息通道的建立：
• 1.取指:
AB
DB
（IP）=>AR ┇ => ┇ MAR =>MAD =>MM =>MDR ┇ => ┇ DR =>IR
IP+1 =>IP ┇
CS=1,WE=0
CB
• 2.分析指令：
CB
IR（OP）=> ID => CU => Ck（控制信号）
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5.1 CPU的组成和功能
• 4.地址形成功能： • 根据取入指令的寻址方式MOD、寄存器编号REG和形式地址信
息D，由地址形成部件AU形成操作数的有效地址EA。 • 5.数据处理功能： • 在操作控制信号的控制下，由运算器ALU等部件完成对指令规
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1. 运算器
• 运算器功能：在控制器的统一指挥下，完成对数据信息的加工和处理 • 运算器基本组成： • 算术/逻辑运算单元ALU：（补码加/减运算器+函数发生器即逻辑运
算电路）。 • 标志寄存器F（PSW）：存放运算结果的状态和特征。 • 通用寄存器组：（专用、通用寄存器）存放地址、数据和中间结果。 • 累加器A或AC：用于存放运算时的操作数及操作结果。 • 数据缓冲寄存器DR：存放内存读出或写入的信息，起缓冲作用，是
• *2.地址寄存器 AR：保存当前CPU所访内存单元的地址，需保持到读 /写操作完成，是CPU的地址出口，外接AB；
• *3.地址寄存器组：由专用地址寄存器（变址寄存器、基址寄存器、 堆栈指针，指令指针）组成，用于提供形成操作数的有效地址EA时 所需的基准地址。
定的操作对象进行加工和处理。
• 二、CPU的基本组成：
• 1.传统CPU：运算器（ALU、ACC、F或PSW、通用寄存器组）+控 制器（IU、CU、TU、AU）。
• 2.现代CPU：运算器（GPU+FPU+定点ALU+阵列乘除法器，标量与 超标量结构）+控制器（RISC/CISC复合控制，流水与超流水）+哈 佛结构的一级Cache和混存结构的二级Cache 。
CS=1,WE=1
CB
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三、指令执行过程和信息通道的建立：
• 3.执指：例3、 ADD R0,[2050H]
AU
+1给出下一条指令的地址；当遇到转移指令、调子指令、返回指令 、中断操作时由指令、堆栈或I/O接口芯片提供新地址→PC； • *2. 指令寄存器IR：用于存放由主存取出的指令→OP码+地址码； • *3. 指令译码器：用于对IR中的指令OP码进行译码，形成译码信号 。
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CPU的数据出入口，外接DB。
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2. 控制器
• 控制器的功能：根据指令的规定完成对整个计 算机系统操作的协调和控制。
• 控制器的组成：IU、CU、TU、AU。
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2. 控制器
• IU 的基本组成：指令部件IU（IP、IR、ID）完成取指操作。 • *1. 指令指针PC或IP：给出正在执行（当前）指令的地址，并自动
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• 3.执指：例1、 LDA R0,[2050H] 读内存过程：
AU
AB
DB
IR（D）=>AR ┇ => ┇ MAR =>MAD =>MM =>MDR ┇ => ┇ DR =>R0
CS=1,WE=0
CB
•
例2、 STA [2050H],R0 写内存过程：
AU
AB
DB
IR（D）=>AR ┇ => ┇ MAR =>MAD =>MM <=MDR ┇ <= ┇ DR <=R0
第 5 章 中央处理器CPU
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1
5.1 CPU的组成和功能
• 一、CPU的功能：自动完成取指和执指操作的部件。
• 1.指令控制功能： • 由IP或PC完成对程序的顺序控制并取指。该功能由指令部件IU
（IP、IR、ID）予以完成。 • 2.操作控制功能： • 由操作控制部件(控制信号形成部件)CU对所取指令进行分析后形
• *3. 启停控制逻辑：负责对时钟脉冲的输出与封锁，从而实现 计算机的启动与停机。
• 注：节拍电位 M：空间上独立输出的机器周期信号M1～M4；
•
节拍脉冲 T：空间上独立输出的时钟周期信号T1～T4。
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2. 控制器：
• AU的基本组成：地址形成部件AU由地址加法器、专用寄存器（变址 、基址、堆栈指针，指令指针）、段寄存器、地址寄存器AR组成， 用于形成操作数的有效地址EA。
全部控制信号（微命令）→与CPU的CB相连。
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2. 控制器
TU的基本组成：
时序部件TU由时钟源、节拍发生器、启停控制逻辑组成。
• *1.时钟源：提供时钟脉冲（晶振+振荡器）；
• *2.节拍发生器：提供节拍电位M与节拍脉冲T（建立微操作序 列的时序关系）；
2. 控制器
CU 的基本组成：操作控制信号形成部件CU用于形成控制信号 • *1. 其组成：分别由组合逻辑电路（与门阵列+或门阵列）、
控制ROM（微程序只读存储器）构成； • *2. 其输入为：指令译码信号、TU产生的节拍电位M和节拍脉
冲T、F的状态信号、中断与总线的请求信号； • *3. 其输出为：经CU综合分析与处理后形成的相应指令所需的
成指令操作所需的全部控制信号（微命令），送往运算器（内部 控制操作）和各系统部件（外部操作控制）；各控制信号所起的 作用为门控和选通，以控制信息流的走向，来完成指令规定的操 作。 • 3.时间控制功能： • 由时序部件TU产生空间上独立输出的时间标准信号（指令周期 、CPU周期、时钟周期信号），提供给CU作为时间基准，使各微 操作控制信号在规定时间定时发出（有效）。
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
三、指令执行过程和信息通道的建立：
• 1.取指:
AB
DB
（IP）=>AR ┇ => ┇ MAR =>MAD =>MM =>MDR ┇ => ┇ DR =>IR
IP+1 =>IP ┇
CS=1,WE=0
CB
• 2.分析指令：
CB
IR（OP）=> ID => CU => Ck（控制信号）
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5.1 CPU的组成和功能
• 4.地址形成功能： • 根据取入指令的寻址方式MOD、寄存器编号REG和形式地址信
息D，由地址形成部件AU形成操作数的有效地址EA。 • 5.数据处理功能： • 在操作控制信号的控制下，由运算器ALU等部件完成对指令规
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1. 运算器
• 运算器功能：在控制器的统一指挥下，完成对数据信息的加工和处理 • 运算器基本组成： • 算术/逻辑运算单元ALU：（补码加/减运算器+函数发生器即逻辑运
算电路）。 • 标志寄存器F（PSW）：存放运算结果的状态和特征。 • 通用寄存器组：（专用、通用寄存器）存放地址、数据和中间结果。 • 累加器A或AC：用于存放运算时的操作数及操作结果。 • 数据缓冲寄存器DR：存放内存读出或写入的信息，起缓冲作用，是