计算机组成原理 第5章中央处理器.ppt

第5章中央处理器
本章主要内容:
CPU的功能和组成
指令周期
时序产生器和控制方式
微程序控制器
组合逻辑控制器原理
提高CPU性能的技术
中央处理器CPU的主要功能是从主存储器中取出指令、分析指令和执行指令,即按指令控制计算机各部件操作,并对数据进行处理。
指令控制:控制程序的执行顺序;
操作控制:产生各种操作所需的控制信号;
时间控制:对各种操作实施时间上的定时;
数据加工:对数据进行算术、逻辑运算处理。
一 CPU的功能和组成
CPU的基本组成框图
CPU的基本组成:运算器、控制器、寄存器、总线、cache 。
控制器:产生控制信号,协调和指挥各个部件完成执行指令的操作。
从内存取指令,并指出下条指令的地址;
对指令译码或测试,并产生相应的操作控制信号;
指挥并控制CPU、内存和I/O设备之间数据流动的方向。
ALU的功能是实现数据的算术与逻辑运算。
寄存器:暂存指令和数据
数据缓冲器(DR)
指令寄存器(IR)
程序寄存器(PC)
地址寄存器(AR)
累加寄存器(AC)
通用寄存器
状态条件寄存器(PSW)
操作控制器:根据指令产生控制信号,在各寄存器之间建立数据通路。
时序控制器:产生定时信号,对各种操作实施时间控制。
二指令周期
指令的分段执行过程
取指令:根据PC提供的地址从主存中读取当前指令,送到指令寄存器IR中;
分析指令:通过译码电路分析IR中指令各字段表示什么操作,并在时序系统的配合下产生该指令对应的微操作命令序列;
执行指令:执行阶段还可细分为:
取操作数
执行操作
形成下一条指令地址
在运行的过程中,CPU还要对出现的某些异常情况或输入/输出请求进行处理。
指令的周期
指令周期:CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的所有操作时间总和。又可细分成若个CPU周期。
CPU周期:又称机器周期,一般用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。又可细分成若个时钟周期。
时钟周期:CPU操作的基本时间单位,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。
例程序的执行过程
典型指令功能:
指令助记符:CLA
功能:清零
操作:0→AC
指令助记符:ADD D
功能:加法
操作:AC+(D) →AC
指令助记符:STA D
功能:数据传送
操作: AC→(D)
指令助记符:NOP
功能:空操作
指令助记符:JMP D
功能:无条件转移
操作: D→PC
地址
助记符
20H
CLA
21H
ADD 30H
22H
STA 40H
23H
NOP
24H
JMP 21
……
……
30H
00 06
31H
……
…..
……
40H
存和数
CLA指令的指令周期
取指令周期操作步骤:
PC→AR→ABUS; PC+1→PC
(M)→DBUS→DR
DR →IR
IR数据经过译码器识别为CLA指令,该步骤不需要一个T周期。
执行指令周期操作步骤:
ALU →0 →A 。
CPU周期数:2个,取指和执行指令各占一个。
指令执行后:A=0,PC=21。
地址
助记符
20H
CLA
21H
ADD 30H
22H
STA 40H
23H
NOP
24H
JMP 21
……
……
30H
00 06
31H
……
…..
……
40H
存和数