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第五章 中央处理器 第五章 中央处理器 CPU的功能和组成 (掌握) 指令周期（掌握） 时序产生器和控制方式(*) 微程序控制器（理解） 微程序设计技术（*） 硬布线控制器(*) CPU的新技术(理解) 5.1 CPU的功能和组成 什么是CPU？ 所谓中央处理器是控制计算机来自动完成取出指令和执行指令任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为CPU。 5.1.1 CPU的功能 控制器 它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。 控制器的主要功能有： 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。 对指令进行译码或测试，并产生相应的控制信号。 输出相应的控制信号，指挥并控制CPU，内存和I/O之间的数据流动的方向。 运算器 由算术逻辑单位（ALU）、累加寄存器（AC）、数据缓冲寄存器(DR)和状态条件寄存器(PSW)组成，它是数据加工处理部件。 相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。 运算器的主要功能： 执行所有的算术运算。 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。 5.1.3 CPU的主要寄存器 5.1.4.操作控制器和时序产生器 1.数据通路：通常把许多寄存器之间传送信息的通路称为“数据通路”。 2.操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种操作信号，以便正确建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的操作。 3.时序产生器：因为计算机高速地进行工作，每一个动作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序产生器的作用，就是对各种操作实施时间上的控制。 根据设计方法不同，操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型三种。 1.硬布线控制器 　　是采用时序逻辑技术来实现的； 2.微程序控制器 　　是采用存储逻辑来实现的； 3.前两种方式的组合 5.1.4 操作控制器和时序产生器 时序产生器：提供定时和时序信号 5.2 指令周期 程序的执行过程： 指令周期 —读取指令 指令地址送入主存地址寄存器 读主存，读出内容送入指定的寄存器 —分析指令 —按指令规定内容执行指令 不同指令的操作步骤数 和具体操作内容差异很大 —检查有无中断请求 若无，则转入下一条指令的执行过程 指令周期的基本概念 指令周期 指令周期 下面以一个简单的程序来具体认识每一条指令的指令周期和执行过程。 指令周期 ADD指令的指令周期 指令周期 指令周期 STA指令的指令周期 指令周期 NOP指令和JMP指令的指令周期 5.2.7用方框图语言表示的指令周期 引入目的主要是为了教学目的（控制器设计） 方法： 指令系统设计（模型机的五指令系统） 方框——按CPU周期 方框内内容——数据通路操作或控制操作 菱形符号——判别或测试 ~——公操作 前边所讲述的5种操作的框图描述 指令周期 小结： 各类信息的传送路径 指令：M---DR--DBUS--IR 地址：PC--ABUS---AR--（取决于寻址方式） 数据： 寄存器----寄存器 总线直接传送 寄存器----存储器 Ri--DBUS--DR--M 存储器----寄存器 M--DR--BUS--Ri 5.2.7方框图表示指令周期 例1：如图所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器(具有自增功能)，M为主存(受R/W信号控制)，AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器， ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例中yi表示y寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为直通线，不受控制。 1.“ADD R2，R0”指令完成（R0）+（R2）→R0功能操作。假设该指令的地址已放入PC中。 2.“SUB R1，R3”指令完成（R3）-（R1）→R3的功能操作。 5.2.7方框图表示指令周期 5.3 时序产生器和控制方式 5.3.1时序产生器作用和体制 5.3.2时序信号产生器 5.3.3控制方式 5.3.1、时序产生器作用和体制 作用： CPU中的控制器用它指挥机器的工作 CPU可以用时序信号/周期信息来辨认从内存中取出的是指令（取指）还是数据（执行） 一个CPU周期中时钟脉冲对CPU的动作有严格的约束 操作控制器发出的各种信号是时间（时序信号）和空间（部件操作信号）的函数。 5.3.1、时序产生器作用和体制 硬布线控制器，采用主状态周期—节拍电位—节拍脉冲三级体制 时序信号产生电路复杂 5.3.1、时序产生器作用和体制 微程序控制器，节拍电位—节拍脉冲二级体制 利用微程序顺序执行来实现微操作