计算机组成原理第6章中央处理器（终）.ppt

中国计算机学会“21世纪大学本科计算机专业系列教材”计算机组成原理 蒋本珊 编著 第6章中央处理器 本章学习内容 6.1中央处理器的功能和组成 6.2 控制器的组成和实现方法 6.3 时序系统与控制方式 6.4 微程序控制原理 6.5 控制单元的设计 6.6 流水线技术 6.7 精简指令系统计算机RISC 本章学习要求 理解：CPU的功能和主要寄存器 理解：控制器的基本组成 理解：时序系统中指令周期、机器周期的概念 了解：不同的控制方式（同步、异步、联合） 理解：指令执行的基本过程 掌握：取指周期的微操作序列（公共操作） 理解：微程序控制的基本概念 掌握：微指令编码法特点 理解：微程序控制器的组成和工作过程 理解：微程序入口地址和后继微地址的形成 了解：控制单元的设计 了解：流水线技术和RISC技术 6.1中央处理器的功能和组成 CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，这里将从CPU的功能、内部结构和主要技术参数入手，为后面详细讨论程序的执行过程打下基础。 6.1.1 CPU的功能 若用计算机来解决某个问题，首先要为这个问题编制解题程序，而程序又是指令的有序集合。按“存储程序”的概念，只要把程序装入主存储器后，即可由计算机自动地完成取指令和执行指令的任务。在程序运行过程中，在计算机的各部件之间流动的指令和数据形成了指令流和数据流。 6.1.1 CPU的功能（续） 需要注意的是，这里的指令流和数据流都是程序运行的动态概念，它不同于程序中静态的指令序列，也不同于存储器中数据的静态分配序列。指令流指的是CPU执行的指令序列，数据流指的是根据指令操作要求依次存取数据的序列。从程序运行的角度来看，CPU的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。 对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。 6.1.2 CPU中的主要寄存器 1.通用寄存器 通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。现代计算机中为了减少访问存储器的次数，提高运算速度，往往在CPU中设置大量的通用寄存器，少则几个，多则几十个，甚至上百个。通用寄存器一般由程序编址访问。 累加寄存器Acc也是一个通用寄存器，它用来暂时存放ALU运算的结果信息。例如，在执行一个加法运算前，先将一个操作数暂时存放在Acc中，再从主存中取出另一操作数，然后同Acc的内容相加，所得的结果送回Acc中。运算器中至少要有一个累加寄存器。 6.1.3 CPU的组成 CPU由运算器和控制器两大部分组成。 控制器的主要功能有： ⑴从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。 ⑵对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。 ⑶指挥并控制CPU、主存和输入输出设备之间的数据流动方向。 运算器的主要功能有： ⑴执行所有的算术运算； ⑵执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。 CPU的模型 图6-2 CPU的模型 6.1.4 CPU的主要技术参数 CPU品质的高低直接决定了一个计算机系统的档次，而CPU的主要技术参数可以反映出CPU的大致性能。 1.字长 CPU的字长是指在单位时间内同时处理的二进制数据的位数。CPU按照其处理信息的字长可以分为：8位CPU、16位CPU、32位CPU以及64位CPU等。 控制器的基本组成 图6-3 控制器的基本组成 2.时序部件 时序部件能产生一定的时序信号，以保证机器的各功能部件有节奏地进行信息传送、加工及信息存储。包括： ⑴脉冲源 产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号。 ⑵启停控制逻辑 启停控制逻辑的作用是根据计算机的需要，可靠地开放或封锁脉冲，控制时序信号的发生或停止，实现对整个机器的正确启动或停止。 2.时序部件（续） ⑶节拍信号发生器 节拍信号发生器又称脉冲分配器。脉冲源产生的脉冲信号，经过节拍信号发生器后产生出各个机器周期中的节拍信号，用以控制计算机完成每一步微操作。 6.3 时序系统与控制方式 由于计算机高速地进行工作，每一个动作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序系统是控制