《计算机组成原理》 课件 第7章 CPU系统.pptx

第7章CPU系统;图7.1最基本的CPU结构图：;图7.1CPU结构图中各个部件介绍：

1.算术逻辑运算部件（ALU）

ALU有两个输入端I1和I2，一个输出端OUT。

两个输入端I1和I2分别用来输入参加算术运算和逻辑运算的数据，输出端OUT输出运算后的结果。

2.程序计数器（PC）

程序计数器（PC）是CPU中最重要的部件之一，它是程序中指令能够不断自动执行的关键。程序计数器（PC）在每执行一条指令后，它能自动加1指向下一条指令。

计算机开机后，CPU会进行上电复位，CPU上电复位的一个重要工作就是给程序计数器PC一个初值（大多数型号CPU复位后程序计数器PC的初值为0），所以，计算机中的第一条指令必须放在程序计数器PC初值对应的主存储器地址中，这样计算机开机后才能找到程序员编写好的计算机启动程序，并按照程序员的编好的程序进行启动计算机的各项工作。;3.寄存器组

不同型号的CPU它的寄存器数量是不一样的，CPU中的寄存器的数量越多、每个寄存器能保存的二进制位数越长，CPU的性能越好，但价格也就越高。

计算机的机器字长和CPU中寄存器的位数相关，如果CPU中每个通用寄存器能保存16位二进制数，则计算机的机器字长就是16位，我们称之为16位机。

在图7.1中作为最基本型的CPU只有两个通用寄存器，一个是AC，一个是BX。

AC寄存器是固定连接在ALU的一个输入端I1，AC寄存器是CPU的指令中使用最频繁的寄存器，所以AC寄存器有一个专门的名称：累加器（Accumulator）。

两个和主存储器打交道的专用寄存器MAR和MDR。指令寄存器IR属于专用寄存器

4.控制部件（CU）

CPU中控制器的核心部件是CU。CU的功能是接收到指令寄存器IR送来的指令，然后对指令的操作码部分进行译码，找出是接收到的指令属于什么指令，最后产生完成这条指令功能的一系列微操作C0、C1、……Cn;5.片内数据总线

要把CPU这些通用、专用寄存器、程序计数器PC以及ALU连接在一起，需要在CPU中设计一条内部数据总线。在图7.1中的内部数据总线就是起到把这些部件连接起来进行数据传送的作用。

注意：在图7.1中，数据传送的箭头有单向的也有双向的，它们分别表示数据传送方向是单向的还是双向的。;7.1.2CPU的功能;2.???析指令

控制器必须能对从内存中取出后存放在指令寄存器IR中的指令进行分析。

指令是由操作码和地址码组成。所以分析指令包括两部分内容：

第一，分析指令完成什么样的操作，控制器发出什么样的操作命令。这个由操作码决定。实际就是对操作码进行译码。

第二，分析参加本次操作的操作数地址，即操作数的有效地址。这个由地址码决定。实际上就是根据地址码的寻址方式找到参加指令操作的操作数。

3.执行指令

执行指令就是根据分析该指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求，形成该指令操作控制信号序列，通过对运算器、存储器或者I/O设备的操作，执行该指令。

;7.1.3CPU中的寄存器;1.程序员可见的寄存器

程序员在编写汇编语言程序时可以使用和访问的寄存器称为程序员可见的寄存器。

（1）通用寄存器

通用寄存器可由程序员根据不同指令指定许多功能，可用于存放操作数，也可以作为某种寻址方式所需的寄存器。在图7.1中的寄存器AC、BX，以及实际型号Intel8086CPU中的AX、BX、CX、DX等都称为通用寄存器。

（2）数据寄存器

数据寄存器用于存放操作数，其位数应满足多数数据类型的数值范围。有些机器把数据寄存器归类于通用寄存器（例如8086CPU），也有些机器的数据寄存器只能存放数据，不能存放操作数的地址，不能用于寻址方式。

（3）地址寄存器

地址寄存器用于存放操作数地址，满足各种指令的寻址方式，其本身也可具有通用性，也可用于特殊的寻址方式。

;（4）条件码寄存器

条件码寄存器是一个很重要的寄存器，在实际型号的CPU中，有些CPU中称为标志寄存器、有些CPU称为程序状态字寄存器（PSW）。

例如，执行加法指令产生了进位，就会把条件码寄存器中进位位C置位（C=1）。还有运算器做某种运算后，如果运算结果是0，则条件码寄存器中0标志位Z就会置位（Z=1）。根据条件码寄存器中的各种标志位的值，程序员可以了解某些指令执行后其结果的一些状态，程序员在编写程序时对需要的条件码寄存器相关位进行测试，根据测试结果去决定分支程序的转移。

2.控制和状态寄存器

在一些机器里，这类寄存器对程序员来说是透明的，所谓透明是指程序员编程时不能使用但实际存在的寄存器。它在程序指令执行过程中，帮助指令完成相应功能。

如下四种寄存器是程序员不能使用，但在指令执行过程中起到重要作用。;（1）MAR：存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储