青岛科技大学计算机组成与系统结构Chapter5.ppt

第5章中央处理器(CPU)Central Processing Unit
CPU的功能和基本结构
数据通路的功能和基本结构
指令执行过程
控制器的功能和工作原理
指令流水线
中央处理器(Central Processing Unit,简称CPU)是计算机的核心部件,主要负责程序的执行和各种数据处理。
本章从分析CPU的功能结构入手,详细介绍CPU的构成和指令的执行过程,对两种常见的控制器工作原理进行了阐述。此外还介绍了为提高指令执行速度而采取的流水线技术。
本章主要论述CPU组成原理
通过本章学习:
掌握在计算机运行过程中各个硬件部件的作用;
CPU中各个部件的操作过程及其实现方法原理。
本章将重点讲述:
程序是如何执行的;
计算机怎样实现各条指令的功能;
如何保证逐条指令的连续执行过程。
CPU的功能和基本结构
CPU的功能
对冯·诺依曼结构计算机,计算机对信息进行处理(或计算)是通过程序执行而实现的。
程序是完成某个确定算法的指令序列,要预先存放在存储器中。
将程序写入存储器后,便可由计算机自动完成指令的执行,控制器的主要任务就是完成此项工作的,它负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列,并对数据进行加工,其基本功能是取指令、分析指令和执行指令。
CPU的功能和基本结构
CPU的功能
:当程序已在存储器中时,首先根据程序入口取出第一条指令,为此要发出指令地址及控制信号。然后不断取出第2,3,…条指令
:对当前取得的指令进行分析,指出它要求作什么操作,产生相应操作控制命令,若参与操作数据在存储器中,还需形成操作数地址
:根据分析指令时产生的“操作命令”和“操作数地址”形成相应操作控制信号序列,通过CPU及输入输出设备的执行,实现每条指令功能,还包括对运算结果的处理及下条指令地址形成
计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作:取指、分析、执行;再取指、再分析、再执行……,如此循环,直到遇到停机指令或外来的干预为止
CPU的功能和基本结构
CPU的功能
此外,程序和数据要输入机器,运算结果要输出,机器运行过程中出现的某些异常情况或请求要进行处理,人与机器之间要进行对话,控制器还应具有以下功能:
:根据程序安排或人的干预,在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命令来完成I/O功能
:当机器出现某些异常情况,发出:(1) “中断请求”信号。CPU执行完当前指令后,响应该请求,中止当前执行的程序,转去执行中断程序。处理完毕后,再返回原程序继续运行。(2) DMA请求信号。等CPU完成当前机器周期操作后,暂停工作,让出总线给I/O设备,在完成I/O设备与存储器之间的传送数据操作后,CPU从暂时中止的机器周期开始继续执行指令
CPU的功能和基本结构
CPU的功能
总之,CPU必须具有控制程序的顺序执行(称指令控制)、产生完成每条指令所需的控制命令(称操作控制)、对各种操作加以时间上的控制(称时间控制)、对数据进行算术运算和逻辑运算(数据加工)以及处理中断等功能
CPU的功能和基本结构
CPU的基本结构
根据CPU的功能,要取指令,必须有存储器用于存放当前指令地址;要分析指令,必须有存放当前指令的寄存器和对指令进行译码的部件;要执行指令,必须有一个能发出各种操作命令序列的控制部件CU;要完成算术运算和逻辑运算,必须有存放操作数的寄存器和实现运算功能的部件ALU;为了处理异常情况和特殊请求,还必须有中断系统。
因此,CPU一般可由寄存器、控制部件、ALU和中断系统四部分组成,如图5-1所示
有关ALU的内容第2章已经介绍了,控制部件CU是CPU最复杂的部分,后面将重点介绍
CPU的功能和基本结构
CPU的基本结构
寄存器
中断
系统
ALU
CPU
CU
图5-1 CPU的基本结构
数据总线
控制总线
地址总线
CPU的功能和基本结构
16位微处理器8086功能结构图
2017/11/23
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