白中英计算机组成原理第5章_中央处理机讲述
100页1、第5章 中央处理机 目录 5.1 CPU的功能和组成掌握 5.2 指令周期掌握 5.3 时序产生器和控制方式了解 5.4 微程序控制器掌握 5.5 硬连线控制器了解 5.6 传统CPU了解 5.7 流水CPU掌握 5.8 RISC CPU了解 5.9 多媒体CPU了解 Date2 考研大纲要求 (一)CPU的功能和基本结构 (二)指令执行过程 (三)数据通路的功能和基本结构 (四)控制器的功能和工作原理 n硬布线控制器 n微程序控制器 n微程序、微指令和微命令 n微指令的编码方式;微地址的形成方式 (五) 指令流水线 n指令流水线的基本概念 n超标量和动态流水线的基本概念 Date3 5.1 CPU的组成和功能 l5.1.1 CPU的功能 l5.1.2 CPU的基本组成 l5.1.3 CPU中的主要寄存器 l5.1.4 操作控制器与时序产生器 Date4 5.1.1 CPU的功能 lCPU(中央处理器) 控制程序按设定方式执行; lCPU的主要功能: 指令控制 u控制程序的执行顺序; 操作控制 u产生和发送各操作信号; 时间控制 u控制指令、或操作的实施时间; 数据加工 u对数据进行算
2、术逻辑运算; 顺序寻址、跳跃寻址 对指令操作码译码后产生控制信号 维持各类操作的时序关系 由ALU完成具体的运算 Date5 5.1.2 CPU的基本组成 l现代的CPU的组成 运算器、控制器 l控制器的主要功能 从内存中取出一条指令,并指出下条指令的存放位置; 对指令进行译码,产生相应的操作控制信号; 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动; l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。 冯诺依曼机的定义 、片内Cache; PC、IR ALU、通用寄存器组 、标志寄存器 CU、时序电路 、操作控制器 Date6 CPU模型图 动画演示:5-1.swf 运算器 Cache 控制器 Date7 5.1.3 CPU中的主要寄存器(1/3) l数据缓冲寄存器(DR) 暂时存放CPU与外界传送的数据,可以是指令字或数据字 。 作用 : u作为CPU和内存、外部设备之间信息传送 的中转站; u补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速 度上的差别; l通用寄存器 功能:暂时存放ALU运算的数据或结果。 CPU中的通用寄存器可多达16个,32个,甚至更多。
3、Date8 5.1.3 CPU中的主要寄存器(2/3) l状态条件寄存器(PSW) 保存各种状态和条件控制信号; u进位标志(C),溢出标志(V),零标 志(Z), 符号标志(N) 每个信号由一个触发器保存,从而拼成一个寄存器。 l地址寄存器(AR) 保存当前CPU所访问数据的内存单元地址; 主要用于解决主存/外设和CPU之间的速度差异,使地址信 息可以保持到主存/外设的读写操作完成为止 。 Date9 5.1.3 CPU中的主要寄存器(3/3) l程序计数器(PC) 始终存放下一条指令的地址,对应于指令Cache的访问; 其内容变化分两种情况 u顺序执行: PC+1PC u转移执行: (指令OPR)PC l指令寄存器(IR) 保存当前正在执行的一条指令。 指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。 寄存功能 计数功能 Date10 5.1.4 操作控制器与时序产生器 l数据通路 寄存器之间传送信息的通路。 l操作控制器 根据指令操作码和时序信号,产生各种操作控制信号; 建立正确地数据通路,从而完成指令的执行。 l根据设计方法不同,操作控制器可分为 硬布线控制器: 采用时序逻辑
4、技术实现; 微程序控制器: 采用存储逻辑实现; 前两种方式的结合; l时序产生器 对各种操作实施时间的控制。 Date11 数据通路的建立 增量 写入 读出 写入 读出 写入 读出 锁存锁存 写入 读出 写入 读出 运算 类型读出 写入 Date12 5.2 指令周期 l5.2.1 指令周期的基本概念 l5.2.2 MOV R0 , R1指令的指令周期 l5.2.3 LAD R1 , 6指令的指令周期 l5.2.4 ADD R1 , R2指令的指令周期 l5.2.5 STO R2 , (R3)指令的指令周期 l5.2.6 JMP 101指令的指令周期 l5.2.7 用方框图语言表示指令周期 Date13 5.2.1 指令周期的基本概念 lCPU执行程序是一个“取指令执行指令”的循环过程。 l指令周期 CPU从内存中取出一条指令,并执行的时间总和; lCPU周期 又称机器周期,一般为从内存读取一条指令字的最短时间; 一个CPU周期可以完成CPU的一个基本操作。 l时钟周期 也叫节拍脉冲或T周期,是计算机处理操作的基本时间单位 。 动画演示:5-2.swf Date14 关于指令周期 l一
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