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计算机组成原理任课教师：石磊 教授 郑州大学信息工程学院计算机系Email: shilei@☼第一章 计算机系统概论☼第二章 运算方法和运算器☼第三章 存储系统☼第四章 指令系统 ☼第五章 中央处理器 ☼第六章 总线系统 ☼第七章 外围设备 ☼第八章 输入输出系统☼第九章 并行组织目录n教材n白中英，计算机组成原理·网络版， 科学出版社，2002n参考书n石磊，计算机组成原理·第2版, 清 华大学出版社，2006n钱晓捷，微型计算机原理及应用, 清 华大学出版社，2006n王爱英,计算机组成与结构·第3版, 清华大学出版社，2001n白中英 邝坚，计算机组织与结构· 网络版，科学出版社，2003计算机组成原理第5章 中央处理器 5.1 CPU的组成和功能5.8 流水CPU5.2 指令周期5.9 RISC CPU5.3 时序产生器和控制方式5.10 多媒体CPU5.4 微程序控制器5.11 CPU性能评价5.5 微程序设计技术5.6 硬布线控制器5.7 传统CPU5.1 CPU的功能和组成 当代主流计算机所遵循的仍然是冯.诺依曼的“存储程序、程序控制”思想程序告诉计算机：应该逐步执行什么操 作；在什么地方找到用来操作的数据，结果存到 何处等中央处理器是控制计算机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（Central Processing Unit）5.1.1 CPU的功能 ★ 指令控制 保证机器按程序规定的顺序取出执行￿￿ ★ 操作控制 CPU产生每条指令所对应的操作信号，并把各种操 作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的 要求进行动作★ 时间控制 对各种操作的实施时间进行定时★ 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理5.1.2 CPU的基本组成• 控制器完成对整个计算机系统操作的协调与指挥1) 控制机器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；(2) 对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号 ，送往相应的部件，启动规定的动作；(3) 指挥并控制CPU、内存与输入/输出（I/O）设备 之间数据流动的方向 • 运算器是数据加工处理部件，所进行的全部操作由 控制器发出的控制信号指挥 (1)执行所有的算术运算；￿￿ (2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC存储器I/OCPU ALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器 时序产生器时钟状态 反馈取指 控制执行 控制ccccc缓冲寄存器 DRCPU的基本模型5.1.3 CPU中的主要寄存器 •数据缓冲寄存器（DR） 暂时存放由内存读出或写入的指令或数据字 •指令寄存器（IR） 保存当前正在执行的一条指令 •程序计数器（PC） 确定下一条指令的地址 •地址寄存器（AR） 保存当前CPU所访问的内存单元的地址 •累加寄存器（AC） 最常使用的一个通用寄存器 •状态条件寄存器（PSW） 保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码5.1.4 操作控制器与时序产生器 •操作控制器在各寄存器之间建立数据通路 （传送信息的通路） •操作控制器的功能: 就是根据指令操作码 和时序信号，产生各种操作控制信号，以 便正确地建立数据通路，从而完成取指令 和执行指令的控制 •硬布线控制器 •微程序控制器 •时序产生器产生并发出计算机所需要的时 序控制信号5.2 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形成下一条指令地址• 指令的执行过程取指令执行指令5.2.1 指令周期的基本概念 指令周期 : CPU从内存取出一条指令并执行 完这条指令的时间总和CPU周期 : 又称机器周期（总线周期），CPU访 问内存所花的时间较长，因此用CPU从内存读取一条指 令字的所需的最短时间来定义时钟周期 : 通常称为节拍脉冲或T周期。

一个 CPU周期包含若干个时钟周期T相互关系： 1个指令周期 = 若干个CPU 周期 1个CPU周期 = 若干T周期 取指时间＋执行指令时间指令周期 · CPU周期 · 时钟周期020 CLA；累加器清0 021 ADD 30；（AC）+（30） →AC 022 STA 40；（AC）→(40) 023 NOP； 空操作 024 JMP 21； 21 → PC… 030 000 006; 数据… 040 存和数; 数据5条典型指令构成的简单程序一个CPU周期一个CPU周期取指令阶段执行指令阶段开始取指令 PC+1对指令 译码执行指令取下条指 令PC+15.2.2 CLA指令的指令周期取出CLA指令算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态 反馈取指 控制执行 控制cccc+ 1000 02020 21 22 23 2430 3140CLA ADD 30 STA 40 NOP JMP 21000 006000 020 CLACLA000 021算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态 反馈取指 控制执行 控制cccc+120 21 22 23 2430 3140CLA ADD 30 STA 40 NOP JMP 21000 006000 020 CLACLA000 021000 000执行CLA指令5.2.3 ADD指令的指令周期 一个CPU周期 一个CPU周期取指令阶段执行指令阶段开始取指令 PC+1对指令 译码送操作 数地址取下条指 令PC+1取出操 作数执行加 操作一个CPU周期算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存器 IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态 反馈取指 控制执行 控制cccc+120 21 22 23 2430 3140CLA ADD 30 STA 40 NOP JMP 21000 006000 021 ADDADD 30000 021000 022000 030 000 0060+6=6000 006取出并执行ADD指令5.2.4 STA指令的指令周期 算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRCPUALU指令寄存 器IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态 反馈取指 控制执行 控制cccc+120 21 22 23 243040CLA ADD 30 STA 40 NOP JMP 21000 006000 022 STASTA 40000 022000 023000 040 000 006000 006000 006取出并执行STA指令5.2.5 NOP指令和JMP指令的指令周期算术逻辑单元状态条件寄存器程序计数器PC地址寄存器AR地址总线ABUS数据总线DBUS累加器AC缓冲寄存器DRALU指令寄存器 IR指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态 反馈取指 控制执行 控制cccc+120 21 22 23 243040CLA ADD 30 STA 40 NOP JMP 21000 006000 024 JMP 21JMP 21000 024000 021000 006000 006000 025000 021取出并执行JMP指令5.3 时序产生器和控制方式 用二进制码表示的指令和数据都放在内存 里，那么CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢 ?从时间上来说: 取指令事件发生在指令周期的第一 个CPU周期中，即发生在“取指令”阶段，而取数据事件 发生在指令周期的后面几个CPU周期中，即发生在“执 行指令”阶段。

从空间上来说: 如果取出的代码是指令，那么一定 经DR送往指令寄存器IR，如果取出的代码是数据，那 么一定送往运算器 时间控制对计算机来说是非常重要的！[思考]5.3.1 时序信号的作用和体制 计算机的协调动作需要时间标志，而且需要采用多 级时序体制而时间标志则用时序信号来体现硬布线控制器中，时序信号往往采用主状态周期-节 拍电位-节拍脉冲三级体制 •主状态周期（指令周期）：包含若干个节拍周期，可 以用一个触发器的状态持续时间来表示 •节拍电位（机器周期）：表示一个CPU 周期的时间， 包含若干个节拍脉冲 •节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时间单位微程序控制器中，时序信号则一般采用节拍电位-节 拍脉冲二级体制节拍脉冲节拍电位1主状态周期节拍电位2主状态周期-节拍电位-节拍脉冲数据准备好后，以电位的方式送触发器控制信号来到后，用一个脉冲信号把数据装入触发器数据：电位控制信号：脉冲节拍电位-节拍脉冲IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4IORQ° MREQ° RD° WE° T1° T2° T3° T4°MERQ’IORQ’RD’WR’Φ提供频率稳定且电平匹配 的方波时钟脉冲信号 由石英晶体振荡器组成产生一组有序的间隔相 等或不等的脉冲序列启动停机5.3.2 时序信号产生器 启停控制逻辑节拍脉冲和读写时序译码逻辑环形脉冲发生器时钟脉冲源时序产生器 (1/4)一、 概念 1、时序部件：计算机的机内时钟。

它用其产 生的周期状态，节拍电位及时标脉冲去对指令周期 进行时间划分，刻度和标定 2、指令周期：在计算机中从指令的读取到指 令的执行完成，执行一条指令所需要的时间，称为 指令周期 指令周期通常由若干个CPU周期来表示， CPU周期也称为机器周期由于CPU内部的操作速 度较快，而CPU访问一次内存所花的时间较长，通 常用存储周期为基础来规定CPU周期时序产生器 (2/4)二、3级时序信号1、周期（1）在一个控制阶段内均持续起作用的信号；（2）通常用周期状态寄存器来标志和指明某某周期控制；（3）指令周期可分为取指周期、分析周期、执行周期2、节拍（1）把一个机器周期分成若干个相等的时间段，每一个时间 段对应一个电位信号，称节拍电位；（2）一般都以能保证ALU进行一次运算操作作为一拍电位的 时间宽度3、时标工作脉冲（1） 及时改变标志状态；（2） 时标脉冲的宽度一般为节拍电位宽度的1/N，只要能保证 所有的触发器都能可靠地，稳定地翻转即可时序产生器 (3/4)三、3级时序信号的关系 1、一台计算机机内的控制信号一般均由若 干个周期状态，若干个节拍电位及若干个时标脉 冲这样3级控制时序信号定时完成。

2、3级控制时序信号的宽度均成正整数倍 同步关系周期状态之间，节拍电位之间，时标 脉冲之间既不容许有重叠交叉，又不容许有空白 间隙，应该是能一个接一个地准确连接，一个降 落另一个升起而准确切换的同步信号时序产生器 (4/4)图6-7 三级时序系统时标脉冲节拍周期CPU的控制方式 (1/4)•控制器的控制方式：形成控制不同微操作序列 的时序控制信号的方法•控制方式的分类： –同步控制方式 –异步控制方式 –同异步联合控制方式CPU的控制方式 (2/4)一、同步控制方式 1、含义：又称为固定时序控制方式或无应答 控制方式任何指令的执行或指令中每个微操作的 执行都受事先安排好的时序信号的控制 2、每个周期状态中产生统一数目的节拍电位 及时标工作脉冲 3、以最复杂指令的实现需要为基准 4、优点：设计简单，操作控制容易实现缺点：效率低CPU的控制方式 (3/4)二、异步控制方式1、 含义：。