第五章 中央处理器

输入/ 输出
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主编 薛胜军教授
计算机组成原理
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（1）控制器组成 ）
控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、 控制器由程序计数器 、 指令寄存器 、 指令译码器 、 时序产生器 和操作控制器等组成，主要负责协调和指挥整个计算机系统的操作， 和操作控制器等组成，主要负责协调和指挥整个计算机系统的操作， 控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。 控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。控制器内的主要寄存 程序计数器(PC， Program Counter)、 缓冲寄存器 器有 ： 程序计数器 ， 、 缓冲寄存器(DR， ， Data Buffer Register)、指令寄存器 ，Instruction Register)、指 、指令寄存器(IR， 、 令 译 码 器 (ID ， Instruction Decoder) 、 地 址 寄 存 器 (AR: Address Register)。 。
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4)状态标志寄存器 状态标志寄存器 状态标志寄存器用来保存由算术指令和逻辑指令运行 或测试的结果而建立的各种条件码内容， 或测试的结果而建立的各种条件码内容，如运算结果进位 标志(C)，运算结果溢出标志(V)，运算结果为零标志(Z)， 标志 ，运算结果溢出标志 ，运算结果为零标志 ， 运算结果为负标志(N)，等等。这些标志位通常分别由1位 运算结果为负标志 ，等等。这些标志位通常分别由 位 触发器保存。除此之外， 触发器保存。除此之外，状态标志寄存器还用来保存中断 和系统工作状态等信息，以便CPU和系统能及时了解机 和系统工作状态等信息，以便 和系统能及时了解机 器运行状态和程序运行状态。 器运行状态和程序运行状态。 运算器的主要作用是： 运算器的主要作用是： 执行所有的算术运算。 ① 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， ② 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试 或两个值的比较。通常，算术运算产生一个运算结果， 或两个值的比较。通常，算术运算产生一个运算结果，而 逻辑运算则产生一个逻辑判断值。 逻辑运算则产生一个逻辑判断值。
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5.1.1 中央处理器的组成与功能 1、中央处理器的组成
中央处理器由控制器和运算器两个主要部件组成。 中央处理器由控制器和运算器两个主要部件组成 。 图 5.1所示的是 CPU主要组成部分的逻辑结构图。 主要组成部分的逻辑结构图。 所示的是 主要组成部分的逻辑结构图 图5.1 CPU主要组成部分逻辑结构图 主要组成部分逻辑结构图
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控制器的主要作用是： 控制器的主要作用是：
a) 取指令。从主存储器中取出一条指令，并且指出下一条指令 取指令。从主存储器中取出一条指令， 在主存中的位置。 在主存中的位置。 b) 指令译码。对当前取得的指令进行分析，指出该指令要求做 指令译码。对当前取得的指令进行分析， 什么操作，并产生相应的操作控制命令，以便启动规定的动作。 什么操作，并产生相应的操作控制命令，以便启动规定的动作。 如果参与操作的数据在存储器中，则还需要形成操作数地址。 如果参与操作的数据在存储器中，则还需要形成操作数地址。 c) 控制指令执行。根据分析指令时产生的操作命令和操作数地 控制指令执行。 址形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器及输入／ 址形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器及输入／ 输出设备的执行，实现每条指令的功能。 输出设备的执行，实现每条指令的功能。 d) 控制程序和数据的输入与结果输出。根据程序的规定或人为 控制程序和数据的输入与结果输出。 干预，向输入／ 功能。 干预，向输入／输出设备发出一些相应的命令来完成 I／O功能。 ／ 功能 e) 处理异常情况和请求。当计算机出现异常情况，如除数为零 处理异常情况和请求。当计算机出现异常情况， 和数据传送的奇偶错等，或者出现外部中断请求和DMA请求的时 和数据传送的奇偶错等，或者出现外部中断请求和 请求的时 控制器可以中止当前执行的程序， 候，控制器可以中止当前执行的程序，转去执行异常处理或者响 应中断和DMA请求并进行相关处理。 请求并进行相关处理。 应中断和 请求并进行相关处理
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5）地址寄存器(AR，Address Register) ）地址寄存器 ， 地址寄存器用来保存当前CPU所访问的内存单元的地 地址寄存器用来保存当前 所访问的内存单元的地 由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别， 之间存在着操作速度上的差别， 址。由于在内存和 之间存在着操作速度上的差别 所以必须使用地址寄存器来保持地址信息， 所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的 写操作完成为止。 和内存进行信息交换， 读／写操作完成为止。当 CPU和内存进行信息交换，即 和内存进行信息交换 CPU向主存储器存／取数据时，或者 向主存储器存／ 向主存储器存 取数据时，或者CPU从主存中读出 从主存中读出 指令时，都要使用地址寄存器和缓冲寄存器。 指令时，都要使用地址寄存器和缓冲寄存器。 同样若将 外围设备的设备地址作为像内存的地址单元那样来看待， 外围设备的设备地址作为像内存的地址单元那样来看待 ， 则当CPU和外围设备交换信息时可同样使用地址寄存器 则当 和外围设备交换信息时可同样使用地址寄存器 和缓冲寄存器。地址寄存器的结构和缓冲寄存器、 和缓冲寄存器 。地址寄存器的结构和缓冲寄存器、 指令 寄存器一样，通常使用单纯的寄存器结构。信息的存入 寄存器一样， 通常使用单纯的寄存器结构。 一般采用电位—脉冲式 电位输入端对应数据信息位， 脉冲式， 一般采用电位 脉冲式，电位输入端对应数据信息位 ， 脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下， 脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时地 将信息打入寄存器。 将信息打入寄存器。
1）程序计数器(PC，Program Counter) ）程序计数器 ， 程序计数器(PC)就是能够具体指出下一条指令的地址的部件，又称作 就是能够具体指出下一条指令的地址的部件， 程序计数器 就是能够具体指出下一条指令的地址的部件 指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址， 指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的第一条 指令所在的内存单元地址(程序入口 送入PC，此时PC的内容即是从内存 程序入口)送入 指令所在的内存单元地址 程序入口 送入 ，此时 的内容即是从内存 提取的第一条指令的地址。当执行指令时， 将自动修改PC的内容 提取的第一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改 的内容， 将自动修改 的内容， 以便使其保持总是将要执行的下一条指令的地址。 以便使其保持总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按 顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单地对PC加 。但是， 顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单地对 加1。但是，当遇到 转移指令时，后继指令的地址(即 的内容 的内容)必须从指令寄存器中的地址字 转移指令时，后继指令的地址 即PC的内容 必须从指令寄存器中的地址字 段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定。 段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定
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5.1中央处理器的总体结构
“冯 .诺依曼结构” 的结构准则 ， 该结构特点是 ， ① 数 冯 诺依曼结构 的结构准则， 该结构特点是， 诺依曼结构” 据信息和控制信息按存储地址存放在存储器中； 据信息和控制信息按存储地址存放在存储器中；②计算机 由一个程序计数器控制指令的执行。根据该结构准则， 由一个程序计数器控制指令的执行。根据该结构准则，计 算机分成运算器、控制器、存储器、 算机分成运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 五大部件。 五大部件。 本节主要介绍中央处理器的硬件组成和中央处理器的 功能。通过本节的学习，掌握计算机在运行过程中， 功能。通过本节的学习，掌握计算机在运行过程中，CPU 内部各个硬件部件的组成及其作用， 内部各个硬件部件的组成及其作用，了解控制器控制各个 部件的过程及其实现原理。 部件的过程及其实现原理。
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2）缓冲寄存器(DR，Data Buffer Register) ）缓冲寄存器 ， 缓冲寄存器用来暂时存放从主存储器读来的一条指令或者 一个数据字；当向主存储器存放一条指令或一个数据字时， 一个数据字；当向主存储器存放一条指令或一个数据字时，也 暂时将它们存放在缓冲寄存器中。 暂时将它们存放在缓冲寄存器中。设置缓冲寄存器的目的是作 和主存储器、 为CPU和主存储器、外部设备之间信息传送的中转站，并且协 和主存储器 外部设备之间信息传送的中转站， 调补偿CPU和主存储器、外部设备之间在操作速度上的差别。 和主存储器、 调补偿 和主存储器 外部设备之间在操作速度上的差别。 3）指令寄存器(IR，Instruction Register) ）指令寄存器 ， 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令字代码。 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令字代码 。 当 执行一条指令时，先把它从主存储器取到缓冲寄存器中， 执行一条指令时，先把它从主存储器取到缓冲寄存器中，然后 再传送至指令寄存器。 再传送至指令寄存器。 4）指令译码器(ID，Instruction Decoder) ）指令译码器 ， 指令分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。 指令分为操作码和地址码字段 ， 由二进制数字组成 。 为了 能执行任何给定的指令，必须对操作码进行分析， 能执行任何给定的指令，必须对操作码进行分析，以便识别所 要求的操作。 要求的操作。指令译码器就是对指令寄存器中的操作码字段进 行分析，识别该指令规定的操作， 行分析，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体操作 的特定信号。