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计算机组成原理(第二版) 第6章 中央处理器

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ch6中央处理器

ch6中央处理器

计算机组成原理
第6章 中央处理部件（CPU）
二、CPU的基本组成
1、运算器 运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（ACC）、状 态条件寄存器、数据缓冲寄存器、通用寄存器组等组成。
计算机组成原理
第6章 中央处理部件（CPU）
二、CPU的基本组成
2、控制器 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生 器和操作控制器等部分组成。 它负责完成CPU的指令控制、操作规程控制和时间控制三大 功能。 控制器的主要任务有：
C


4、某SRAM芯片，其容量为512×8位，加上电源端 和接地端，该芯片引出线的最小数目应为 。 A、23 B、25 C、50 D、19
D
计算机组成原理
第6章 中央处理部件（CPU）

5、在cache的地址映射中，若主存中的任意一块均可 映射到cache内的任意一块的位置上，则这种方法称为 A、全相联映射 B、直接映射 C、组相联映射 D、混合映射

CPU当前访问的内存单元的地址 由于CPU和内存之间存在速度上的差异，因而需要使 用地址寄存器来保持内存的地址信息，直到内存存取 操作数完成为止
计算机组成原理
第6章 中央处理部件（CPU）
4、数据缓冲寄存器（DR， Data Register）

数据缓冲寄存器主要作为CPU和内存、外设之间信息 传递的中转站，用于补偿CPU和内存、外设之间操作 速度上的差别 在单累加器结构的计算器中，可以兼做操作数寄存器 使用
DR1 （74273) LDAD PC-B R0-B LDAR AR（74LS273） LDR0 PC（74161） LDPC LDR1
DR2 （74273) LDR2

计算机组成原理第六章CPU的结构和功能

计算机组成原理第六章CPU的结构和功能

中央处理器
指令周期
中断周期
中央处理器
指令周期
中央处理器
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。
内存地址 020
021 022 023 024
内存内容 250 000
030 030 021 040 000 000 140 021
助记符 CLA
ADD 30 STA 40 NOP
指令周期
T周期
中央处理器
T1
T2
T3
T4
CPU周期 〔取指令〕
CPU周期 〔执行指令 〕 指令周期
指令周期
中央处理器
指令周期
中央处理器
指令周期
取指周期
中央处理器
指令周期
间址周期
中央处理器
指令周期
执行周期 许多类型 主要是涉及到处理器内部的存放器 可能的操作有 数据传输 ALU 控制指令的处理
~
NO P
~
指令周期
中央处理器
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： 存放器----存放器 总线直接传送 存放器----存储器 Ri----DBUS----DR-----M 存储器----存放器 M----DR-----BUS-----Ri
ALU
累加器AC
+1
取指 控制
操作控制器 时序产生器
执行 控制
时钟
状态 反响
c
指令译码器
c
20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 JMP 21
30 000 006 31 40

计算机组成原理第六章课件优秀课件

计算机组成原理第六章课件优秀课件
微操作是指计算机中最基本的操作；微操作控制逻辑，用来产生机 器所需的全部的微操作信号。微操作控制逻辑的作用是把操作码译码 器输出的控制电位，时序信号以及各种控制条件进行组合，按一定时 间顺序产生并发出一系列微操作控制信号，以完成指令规定的全部操 作。 （4）中断控制逻辑
中断控制逻辑用来控制中断处理的硬件逻辑。
计算机组成原理第 六章课件
教学目标
• 掌握中央处理器的基本工作原理 • 掌握程序控制基本思想
教学重点
• 中央处理器的总体结构 • 指令的执行与时序产生器 • 微程序设计技术和微程序控制器 • 硬布线控制器与门陈列控制器
教学过程
• 6.1 中央处理器的总体结构 • 6.2 指令的执行与时序产生器 • 6.3 微程序设计技术与微程序控制器 • 6.4 硬布线控制器与门阵列控制器 • 6.5 CPU新技术
一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。 （3）时间控制
对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。 各种指令的操作信号均受到时间的严格控制； 一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。 （4）数据加工
6.1.1 中央处理器的功能与组成
二、控制器的功能（基本功能） 控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥协 调各功能部件执行指令。
阶段：取指令；分析指令；执行指令。 1、取指令 (1) (PC)→MAR，READ (2) (PC)+1→PC (3) 读操作（将MAR所指定的地址单元的内容读出）→MDR，并发出 MFC（Wait for MFC） (4) (MDR) →IR，指令译码器对操作码字段OC开始译码。
6.2.1 指令周期 (3/18)
6.2.1 指令周期 (5/18)
一、基本工作过程 3、执行指令

计算机组成原理(第2版)

计算机组成原理(第2版)
1.1 计算机系统简介 1.2 计算机的基本组成
1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.4 本书结构
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
计 算 机 系 统 硬件 计算机的实体， 如主机、外设等 软件 由具有各类特殊功能 的信息（程序）组成
1.1
系统软件 用来管理整个计算机系统
[M] [ACC]
被乘数
MQ X
0
[X]×[MQ]
ACC
ACC∥MQ
④ 除法操作过程
ACC ALU X
运算器
1.2
指令
初态 除 M
MQ
ACC
[M]
被除数
X MQ
[ACC]÷[X]
余数在ACC中
(3)控制器的基本组成
完成 一条 指令 取指令 PC
1.2
取指 访存
执行 访存
CU
分析指令
执行指令
IR
CU
13
1B = 23b
辅存容量
1GB = 230b
1.4 本书结构
计算机
第１篇 概论
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第２篇 计算机系统的硬件结构
系统总线
CPU
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第３篇 CPU
系统总线
CPU
中央处理器
ALU
CU
CPU 内部互连
寄存器
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
MIPS CPI
每秒执行百万条指令
执行一条指令所需时钟周期数
FLOPS 每秒浮点运算次数
3.存储容量

第6章中央处理器

第6章中央处理器

第6章中央处理器6.1 基本内容摘要1、中央处理器的功能与组成◆中央处理器的组成◆中央处理器的功能◆控制器的组成2、硬连线控制器◆硬连线控制器概述◆硬连线控制器的结构◆硬连线控制器的步骤3、微程序控制器◆微程序控制器概述◆微程序控制器的基本结构◆微程序设计技术4、中断与异常处理◆中断与异常的定义◆中断处理过程◆中断优先级◆中断的嵌套5、中央处理器中流水线技术的基本概念◆并行性的概念◆指令的3中解释方式◆流水线技术的特点◆流水线中的相关性◆流水线的性能指标◆流水线实例简介6. 2 知识点一、中央处理器1、CPU的组成传统的CPU组成：控制器、运算器两部分现代CPU内集成了越来越多的功能部件：MMU：存储管理部件FPU：浮点处理器Cache：高速缓冲存储器MMX：多媒体扩展部件等2、CPU的功能：（1）指令控制，程序的顺序控制。

主要是由程序计数器PC（顺序寻址）和控制类指令的执行实现的。

（2）操作控制控制指令的操作步骤。

由控制器产生完成这些操作步骤所需要的操作控制信号。

（3）时间控制对操作控制信号的定时，对各种操作实施时间上的控制。

主要是由时序信号发生器等实现。

（4）数据处理对数据实现算逻运算等的处理。

（5）中断处理和异常处理：中断处理指CPU具有处理外部设备等中断源的服务请求的能力。

异常处理指CPU具有处理指令执行过程产生非正常情况（如运算溢出）的能力。

3、运算器的组成（1）算术逻辑部件ALU运算器的重要部件，用来执行各种数据运算操作。

（2）累加器AC (或ACC)一个通用寄存器，ALU在执行算术或逻辑操作时，暂时存放ALU运算结果信息的寄存器。

（3）标志寄存器FR一个由各种状态条件标志组合而成的寄存器，又称为程序状态字PSW或状态寄存器SR ；（4）数据寄存器DR又称数据缓冲寄存器，用来存放从主存读出的一条指令或从/向主存或外设接口读/写的一个数据字。

（5）地址寄存器AR用来存放CPU正要访问的主存单元或外设地地址信息，直至读/写操作完成。

计算机组成原理第二版

计算机组成原理第二版

计算机组成原理第二版
计算机的基本组成部分可以分为五个主要部分：中央处理器（CPU）、存储器、输入设备、输出设备和控制器。

这些组件共同协作，实现计算机的功能。

首先，中央处理器（CPU）是计算机的核心。

它包含算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU）。

ALU负责执行算术和逻辑
运算，而CU则负责控制和协调各个组件的工作。

其次，存储器在计算机中起到存储数据和指令的作用。

它分为主存储器和辅助存储器两部分。

主存储器包括随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM），用于存储正在运行的程序
和数据。

辅助存储器则包括硬盘、光盘等，用于长期存储数据。

输入设备用于将外部信息输入到计算机中。

常见的输入设备包括键盘、鼠标和扫描仪等。

通过这些设备，用户可以向计算机输入数据和指令。

输出设备则用于将计算机处理后的结果显示给用户。

常见的输出设备有显示器、打印机和喇叭等。

通过这些设备，计算机可以将处理后的数据和信息以可读的形式呈现给用户。

最后，控制器起到协调各个组件工作的作用。

它通过时序信号和控制信号，控制中央处理器、存储器、输入输出设备等之间的数据传输和操作。

在计算机的运行过程中，中央处理器会读取存储器中的指令，
并对其进行解析和执行。

它还负责处理输入设备传来的数据，并将结果输出到输出设备。

总之，计算机的组成原理是一个复杂而庞大的系统。

了解这些基本组件的功能和工作原理，有助于我们更深入地理解计算机的运行过程。

计算机组成原理(第六章)

计算机组成原理(第六章)
第六章 中央处理器 (1)
• • • • 中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。 运算器主要用来完成各种算术和逻辑运算功能； 寄存器：用来存放中间结果、缓冲作用 控制器是全机的指挥中心，在在它的控制下，计算机总是遵循“取指令， 执行指令，取下条指令，执行下条指令…”这样周而复始地工作直到停机 为止。 控制器对指令的执行过程的控制有三种方式： – 同步控制方式
• 现代计算机系统广泛采用的方式 • 基本思想：将每个指令周期分成多个机器周期，每个机器周期中再分成 多个节拍，于是各条指令可取不同的机器周期数作为各自的指令周期。 如简单指令包含一个机器周期，复杂指令可包含多个机器周期。 • 这种方式不浪费很多时间，控制上又不十分复杂。
二、控制器的功能与组成 1、控制器的功能
WE M
RD M
RD M
ZF＝1？
IR(ADR)→PC
写入操作
读出操作
AC+MDR→AC
读出操作
AC∩MDR→AC
0→启停逻辑
第六章 中央处理器 (10)
四、时序部件
– 指令的执行过程严格按照指令操作流程图所规定的时序定时； – 时序部件用来产生必要的时序信号为机器周期和节拍信号定时； – 根据组成计算机各部件的器件特性，时序信号通常采用“电位－脉 冲”制。 – 时序部件的构成
C0～C31
译码器
Hale Waihona Puke XXXXX 控制字段源部件地址
目标部件地址
地址字段
第六章 中央处理器 (19)
(2)、微指令的地址字段 – 微程序有两种不同的顺序控制方式：断定方式和增量方式。两种方 式下地址字段的设置不同。 – 断定方式
• 微指令在CM可不顺序存放 • 外部测试条件的考虑
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2019年5月11日
第8页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.1.1 中央处理器的功能与组成 (4/5)
五、CPU的组成 （1）指令部件
程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器（ID）、程序状态寄存器 （PSW）和地址形成部件等。 （2）时序部件
时序部件就是用来产生各部件所需要的定时控制信号的部件。时序信号一般 由工作周期，工作节拍及工作时标脉冲三级时序信号构成。
计计算算机机组组成成原原理理(第(第二二版版) )
清清华华大大学学出出版版社社
第6章 中央处理器
教学目标 教学重点 教学过程
2019年5月11日
第1页
计算机组成原理(第二版)
教学目标
清华大学出版社
掌握中央处理器的基本工作原理 掌握程序控制基本思想
2019年5月11日
第2页
计算机组成原理(第二版)
2019年5月11日
第23页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (12/18)
（2）“指令计数器PC递增”的微操作序列 ①PCout，0Y，Yin，0X，1，ADD，Zin （把有效地址送入暂存器Z。） ②Zout，PCin （把暂存器Z的内容送PC。）
（3）“从主存中取出指令字”的微操作序列 ①PCout，0Y，Yin，MARin，READ （指令地址送到主存，发读命令。） ②0X，1，ADD，Zin，WMFC （（PC）+1，并等待内存操作完成回答信号。） ③MDRout，IRin，Zout，PCin （接收指令到IR，开始译码，并且PC内容已递增。）
清华大学出版社
6.1.2 操作控制器与时序产生器
根据设计方法不同，操作控制器可分为：
时序逻辑型 称为硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的
存储型 称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的；
时序逻辑与存储逻辑结合型。 是前两种方式的组合。本书重点介绍微程序控制器。
2019年5月11日
总线
IR OC AC PC PSW
Z
MAR MDR
I/O接口
ID
存储体
微操作 控制器
...
时序信号
微操作控制信号序列
XY
R0..R3,S,D,T
图6-3 模型计算机框图
2019年5月11日
I/O设备
第22页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (11/18)
Байду номын сангаас
三、微操作序列
（1）“从主存中取出一个字”的微操作序列 ①R1out，0X，0Y，RY，ADD，Zin （把有效地址送入暂存器Z。） ②Zout，MARin，READ （将总线地址送入MAR，并发送读命令READ。） ③WMFC （控制器等待存储器发来的操作完成信号MFC。） ④MDRout，0X，Xin，0Y，ADD，Zin （控制器收到MFC信号后，将MDR中已读出的代码送入暂存器Z。） ⑤Zout，R2in （将取得的数据装入R2寄存器中。）
第16页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (5/18)
一、基本工作过程
3、执行指令
执行指令阶段完成指令所规定的各种操作，具体实现 指令的功能。
F(IR，PSW，时序) →微操作控制信号序列
例如，ADD （R0），R1 又如，SUB D（R0），（R1）
若无意外事件（如结果溢出）发生，机器就又从PC中 取得下一条指令地址，开始一条新指令的控制过程。
2019年5月11日
第6页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.1.1 中央处理器的功能与组成 (2/5)
二、控制器的功能（基本功能） 控制器的基本功能就是负责指令的读出，进行识别和解释，并指挥协 调各功能部件执行指令。
三、程序控制原理 1、编程 2、送MM（通过输入设备） 3、机器工作时，是按一定的序列逐条取出指令，分析指令，执行
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.1.1 中央处理器的功能与组成 (1/5)
一、CPU的基本功能 （1）程序控制
保证机器按一定顺序执行程序是CPU的首要任务。 （2）操作控制
一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。 （3）时间控制
对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。 各种指令的操作信号均受到时间的严格控制； 一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。 （4）数据加工
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (2/18)
一、基本工作过程
主要是指执行指令的过程。计算机执行指令的过程可 以分为三个阶段：取指令；分析指令；执行指令。
1、取指令 (1) (PC)→MAR，READ
(2) (PC)+1→PC (3) 读操作（将MAR所指定的地址单元的内容读出） →MDR，并发出MFC（Wait for MFC） (4) (MDR) →IR，指令译码器对操作码字段OC开始译码。
（2）暂存器：X、Y、Z，其中X和Y两个暂存器也 作为ALU的两个输入多路开关使用，可以采用锁 定器的方式实现。
（3）单总线结构：PC，PSW挂在总线上。
2019年5月11日
第18页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (7/18)
二、模型机结构
2、微操作控制信号 （1）助记符：
第11页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2 指令的执行与时序产生器
6.2.1 指令周期 6.2.2 时序产生器 6.2.3 CPU的控制方式
2019年5月11日
第12页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (1/18)
CPU每取出并执行一条指令，都要完成一系列的 操作，这一系列操作所需的时间通常叫做一个指 令周期。更简单地说，指令周期是取出并执行一 条指令的时间。
2019年5月11日
第4页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.1 中央处理器的总体结构
在计算机系统中，中央处理器CPU是由控 制器和运算器两大部分组成的。控制器是 整个系统的指挥中心，在控制器的控制之 下，运算器、存储器和输入输出设备等部 件构成了一个有机的整体。
2019年5月11日
第5页
2019年5月11日
第9页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.1.1 中央处理器的功能与组成 (5/5)
PSW
2019年5月11日
对各功能部件产生控制 去内存取指令或取数据
...
微操作信号产生器
...
时序部件
...
OC译码器
...
PC 地址形成部件
OC
AC
图6-1 控制器基本结构
第10页
计算机组成原理(第二版)
2019年5月11日
第24页
计算机组成原理(第二版)
6.2.1 指令周期 (13/18)
（4）双操作数加法指令ADD （R0），R1 ① PCout，0Y，Yin，MARin，READ （指令地址送到主存，发读命令。） ② 0X，1，ADD，Zin，WMFC （（PC）+1，并等待内存操作完成回答信号。） ③ MDRout，IRin，Zout，PCin （接收指令到IR，开始译码，并且PC内容已递增。） ④ R0out，0X，0Y，RY，ADD，Zin （源操作数间接寻址，送地址到Z。） ⑤ Zout，MARin，READ （取源操作数） ⑥ WMFC，R1out，0X，RX （等待内存回答，将终点数送至X暂存器。） ⑦ MDRout，0Y，Yin，ADD，Zin （将源点数送至ALU的Y端，相加。） ⑧ Zout，R1in （将结果送R1中） ⑨ END （结束）
– 这是一条加法指令； – 源点操作数是寄存器间接寻址方式，操作数在内存中，有效地址
是存（器R的0内）容，。终点操作数是寄存器直接寻址方式，操作数就是R1寄
2019年5月11日
第15页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (4/18)
一、基本工作过程
又如，若目前在IR寄存器中的指令是一条减法指令：
SUB D（R0），（R1） 其中R0，R1是通用寄存器，事先由其它指令已送入了内 容。分析指令阶段能得到两个结果：
– 这是一条减法指令； – 源点操作数是寄存器变址寻址方式，操作数在内存中，有效地址是
（R0）+D，终点操作数是通用寄存器间接寻址方式，有效地址是R1 寄存器的内容。
2019年5月11日
(2) 可编程逻辑阵列(PLA)法； 与前者本质相同，工艺不同；
用大规模集成电路(LSI)来实现。 (3) 微程序控制逻辑法。
将程序设计的思想方法引入控制器的控制逻辑；将各种操作控制信号 以编码信息字的形式存入控制存储器中（CM）； 一条机器指令对应一道微程序，机器指令执行的过程就是微程序执行 的过程。
C、内存：
(a) READ，WRITE； (b) 内存地址寄存器接收控制信号MARin； (c) MDRin,MDRout；
2019年5月11日
第20页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (9/18)
3、指令格式： 模型机的寻址方式采用通用寄存器寻址方式，以双操作数指令
为例，其指令格式如下：
2019年5月11日
第19页
计算机组成原理(第二版)
清华大学出版社
6.2.1 指令周期 (8/18)
B、运算器中：
(a) X暂存器接收总线数据控制信号Xin； (b) Y暂存器接收总线数据控制信号Yin； (c) Z暂存器接收，发送控制信号Zin,Zout； (d) R0in~R3in,R0out~R3out； (e) Sin,Sout,Din,Dout,Tin,Tout.； (f) ALU：ADD，SUB，ADC，...AND，XOR，1等； (g) 0Y，RY； (h) 0X，RX；