計(jì)算機(jī)組成原理 第5章 中央處理器

計(jì) 算 機(jī) 組 成 原 理第 5章 中 央 處 理 器 5.1 CPU的 功 能 和 組 成l 5.1.1CPU的 功 能l 1 指 令 控 制l 程 序 的 順 序 控 制 稱(chēng) 為 指 令 控 制 。 程 序 是 一 個(gè) 指 令 序 列 ， 這 些 指 令 的 相 互順 序 不 能 任 意 顛 倒 ， 必 須 嚴(yán) 格 按 程 序 規(guī) 定 的 順 序 進(jìn) 行 。 因 此 ， 保 證 機(jī) 器按 順 序 執(zhí) 行 程 序 是 CPU的 首 要 任 務(wù) 。l 2 操 作 控 制l 一 條 指 令 的 功 能 往 往 是 由 若 干 個(gè) 操 作 信 號(hào) 的 組 合 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的 ， 因 此 CPU管理 并 產(chǎn) 生 由 內(nèi) 存 取 出 的 每 條 指 令 的 操 作 信 號(hào) ， 把 各 種 操 作 信 號(hào) 送 并 相 應(yīng)的 部 件 從 而 控 制 這 些 部 件 接 指 令 的 要 求 進(jìn) 行 動(dòng) 作 。l 3 時(shí) 間 控 制 l 對(duì) 各 種 操 作 實(shí) 施 時(shí) 間 上 的 定 時(shí) 稱(chēng) 為 時(shí) 間 控 制 ， 因 為 在 計(jì) 算 機(jī) 中 ， 各 種 指令 的 操 作 信 號(hào) 均 受 到 時(shí) 間 的 嚴(yán) 格 定 時(shí) 。 另 一 方 面 ， 一 條 指 令 的 整 個(gè) 執(zhí) 行過(guò) 程 也 受 到 時(shí) 間 的 嚴(yán) 格 定 時(shí) 。 只 有 這 樣 ， 計(jì) 算 機(jī) 才 能 有 條 不 紊 地 自 動(dòng) 工作 。l 4 數(shù) 據(jù) 加 工l 所 謂 數(shù) 據(jù) 加 工 ， 就 是 對(duì) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 算 術(shù) 運(yùn) 算 和 邏 輯 運(yùn) 算 處 理 、 完 成 數(shù) 據(jù) 的加 工 處 理 ， 是 CPU的 根 本 任 務(wù) 、 因 為 ， 原 始 信 息 只 有 經(jīng) 過(guò) 加 工 處 理 后 才能 對(duì) 人 們 有 用 。 5.1 CPU的 功 能 和 組 成l 5.1.2CPU的 基 本 組 成 5.1 CPU的 功 能 和 組 成l 5.1.2CPU的 基 本 組 成l 1 控 制 器l 由 程 序 計(jì) 數(shù) 器 、 指 令 寄 存 器 、 指 令 澤 碼 器 、 時(shí) 序 產(chǎn) 生 器和 操 作 控 制 器 組 成 ， 它 是 發(fā) 布 命 令 的 “ 決 策 機(jī) 構(gòu) ” ， 即完 成 協(xié) 調(diào) 和 指 揮 整 個(gè) 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 操 作 、 控 制 器 的 主 要功 能 有 ：l 1） 從 內(nèi) 存 中 取 出 一 條 指 令 ， 并 指 出 了 一 條 指 令 在 內(nèi) 存 中的 位 置 。 l 2） 對(duì) 指 令 進(jìn) 行 譯 碼 或 測(cè) 試 ， 并 產(chǎn) 生 相 應(yīng) 的 操 作 控 制 信 號(hào) ，以 便 啟 動(dòng) 規(guī) 定 的 動(dòng) 作 如 一 次 內(nèi) 存 讀 寫(xiě) 操 作 ， 一 個(gè) 算 術(shù)邏 輯 運(yùn) 算 操 作 ， 或 一 個(gè) 輸 入 輸 出 操 作l 3） 指 揮 共 控 制 CPU、 內(nèi) 存 和 輸 入 輸 出 設(shè) 備 之 間 數(shù) 相流 動(dòng) 的 方 向 。 5.1 CPU的 功 能 和 組 成l 5.1.2CPU的 基 本 組 成l 2 運(yùn) 算 器l 由 算 術(shù) 邏 輯 單 元 （ ALU） 、 累 加 寄 存 器 、 數(shù) 據(jù) 緩 沖 寄 存器 和 狀 態(tài) 條 件 寄 存 器 組 成 ， 它 是 數(shù) 據(jù) 加 工 處 理 部 件 。 相對(duì) 控 制 器 而 言 ， 運(yùn) 算 器 接 受 控 制 器 的 命 令 而 進(jìn) 行 動(dòng) 作 ，即 運(yùn) 算 器 所 進(jìn) 行 的 全 都 操 作 都 是 由 控 制 器 發(fā) 出 的 控 制 信號(hào) 來(lái) 指 揮 的 ， 所 以 它 是 執(zhí) 行 部 件 。 運(yùn) 算 器 有 兩 個(gè) 主 要 功能 ：l 1） 執(zhí) 行 所 有 的 算 術(shù) 運(yùn) 算 l 2） 執(zhí) 行 所 有 的 邏 輯 運(yùn) 算 ， 并 進(jìn) 行 邏 輯 測(cè) 試 ， 如 零 值 測(cè) 試或 兩 個(gè) 值 的 比 較 。l 通 常 ， 一 個(gè) 算 術(shù) 操 作 產(chǎn) 生 一 個(gè) 運(yùn) 算 結(jié) 果 ， 而 一 個(gè) 邏 輯 操作 則 產(chǎn) 生 一 個(gè) 判 決 。 5.1 CPU的 功 能 和 組 成l 5.1.3CPU中 的 主 要 寄 存 器l 1.數(shù) 據(jù) 緩 沖 寄 存 器 （ DR）l 數(shù) 據(jù) 緩 沖 寄 存 器 用 來(lái) 暫 時(shí) 存 放 由 內(nèi) 存 儲(chǔ) 器 讀 出 /寫(xiě) 入 的 一條 指 令 或 一 個(gè) 數(shù) 據(jù) 字l l） 作 為 CPU和 內(nèi) 存 、 外 部 設(shè) 備 之 間 信 息 傳 送 的 中 轉(zhuǎn) 站 ；l 2） 補(bǔ) 償 CPU和 內(nèi) 存 、 外 圍 設(shè) 備 之 間 在 操 作 速 度 上 的 差 別 ；l 3） 在 單 累 加 器 結(jié) 構(gòu) 的 運(yùn) 算 器 中 ， 數(shù) 據(jù) 緩 沖 寄 存 器 還 可 兼作 為 操 作 數(shù) 寄 存 器l 2.指 令 寄 存 器 （ IR） l 指 令 寄 存 器 用 來(lái) 保 存 當(dāng) 前 正 在 執(zhí) 行 的 一 條 指 令 。l 3 程 序 計(jì) 數(shù) 器 （ PC）l 確 定 下 一 條 指 令 的 地 址 通 常 又 稱(chēng) 為 指 令 計(jì) 數(shù) 器 。 5.1 CPU的 功 能 和 組 成l 5.1.3CPU中 的 主 要 寄 存 器l 4.地 址 寄 存 器 （ AR）l 地 址 寄 存 器 用 來(lái) 保 存 當(dāng) 前 CPU所 訪(fǎng) 問(wèn) 的 內(nèi) 存 單 元 的 地 址 。l 5.通 用 寄 存 器l 當(dāng) 運(yùn) 算 器 的 算 術(shù) 邏 輯 單 元 （ ALU） 執(zhí) 行 算 術(shù) 或 邏 輯 運(yùn) 算時(shí) ， 為 ALU提 供 一 個(gè) 工 作 區(qū)l 6.狀 態(tài) 條 件 寄 存 器 （ PSW）l 狀 態(tài) 條 件 寄 存 器 保 存 由 算 術(shù) 指 令 和 邏 輯 指 令 運(yùn) 行 或 測(cè) 試的 結(jié) 果 建 立 的 各 種 條 件 碼 內(nèi) 容 ， 保 存 中 斷 和 系 統(tǒng) 工 作 狀態(tài) 等 信 息 。 狀 態(tài) 條 件 寄 存 器 是 一 個(gè) 由 各 種 狀 態(tài) 條 件 標(biāo) 志拼 湊 而 成 的 寄 存 器 。 5.1 CPU的 功 能 和 組 成l 5.1.4操 作 控 制 器 與 時(shí) 序 產(chǎn) 生 器l 數(shù) 據(jù) 通 路l 寄 存 器 之 間 傳 送 信 息 的 通 路l 操 作 控 制 器l 根 據(jù) 指 令 操 作 碼 和 時(shí) 序 信 號(hào) ， 產(chǎn) 生 各 種 操 作 控 制 信 號(hào) ，以 使 正 確 地 建 立 數(shù) 據(jù) 通 路 ， 從 而 完 成 取 指 令 和 執(zhí) 行 指 令的 控 制 l 操 作 控 制 器 可 分 為 時(shí) 序 邏 輯 型 、 存 儲(chǔ) 邏 輯 型 、 時(shí) 序 邏 輯與 存 儲(chǔ) 邏 輯 型 三 種 。 l 硬 布 線(xiàn) 控 制 器 ， 它 是 采 用 時(shí) 序 邏 輯 技 術(shù) 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的l 微 程 序 控 制 器 ， 它 是 采 用 存 儲(chǔ) 邏 輯 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的l 時(shí) 序 產(chǎn) 生 器l 就 是 對(duì) 各 種 操 作 實(shí) 施 時(shí) 間 上 的 控 制 。 5.2 指 令 周 期l 5.2.1指 令 周 期 的 基 本 概 念l 指 令 周 期 是 取 出 并 執(zhí) 行 一 條 指 令 的 時(shí) 間 。 l 指 令 同 期 常 常 用 若 干 個(gè) CPU周 期 來(lái) 表 示 ， CPU周 期也 稱(chēng) 為 機(jī) 器 周 期 。 l 一 個(gè) CPU周 期 時(shí) 間 又 包 含 有 若 干 個(gè) 時(shí) 鐘 同 期 5.2 指 令 周 期l 五 條 典 型 指 令 組 成 的 程 序8進(jìn) 制 地 址 8進(jìn) 制 內(nèi) 容 助 記 符020 250 000 CLA021 030 030 ADD 30022 021 031 STA 40023 000 000 NOP024 140 021 JMP 21: : :030 000 006 數(shù) 據(jù)031 000 040: :040 結(jié) 果 單 元 5.2 指 令 周 期l 5.2.2不 訪(fǎng) 存 指 令 的 指 令 周 期 （ CLA） 5.2 指 令 周 期l 5.2.2不 訪(fǎng) 存 指 令 的 指 令周 期 （ CLA）l 1取 指 周 期l 1） 程 序 計(jì) 數(shù) 器 PC的 內(nèi) 容20（ 八 進(jìn) 制 ） 被 裝 入 地址 寄 存 器 AR；l 2） 程 序 計(jì) 數(shù) 器 內(nèi) 容 加 1,變 成 21， 為 取 下 一 條 指令 做 好 準(zhǔn) 備 ；l 3） AR的 內(nèi) 容 被 放 到 地 址總 線(xiàn) 上 ； l 4） 所 選 存 儲(chǔ) 器 單 元 20的內(nèi) 容 經(jīng) 過(guò) 數(shù) 據(jù) 總 線(xiàn) ， 傳 送到 數(shù) 據(jù) 緩 沖 寄 存 器 DRl 5） DR的 內(nèi) 容 傳 送 到 指 令寄 存 器 IR；l 6） IR中 的 操 作 碼 被 譯 碼 ；l 7） CPU識(shí) 別 出 是 指 令CLA 5.2 指 令 周 期l 5.2.2不 訪(fǎng) 存 指 令的 指 令 周 期 （ CLA）l 2 CLA執(zhí) 行 周 期l 1） 操 作 控 制 器 送一 控 制 信 號(hào) 給 算 術(shù)邏 輯 運(yùn) 算 單 元 ALU；l 2） ALU響 應(yīng) 該 控 制信 號(hào) ， 將 累 加 寄 存器 AC的 內(nèi) 容 全 部 清零 ， 從 而 執(zhí) 行 了CLA。 5.2 指 令 周 期l 5.2.3訪(fǎng) 存 一 次 的 指 令 （ ADD） 5.2 指 令 周 期l 5.2.3訪(fǎng) 存 一 次 的 指 令（ ADD）l 1 送 操 作 數(shù) 地 址l 第 二 個(gè) CPU周 期 主要 完 成 送 操 作 數(shù) 地 址 。l 在 此 階 段 ， CPU動(dòng) 作只 有 一 個(gè) ， 就 是 把 指令 寄 存 器 中 地 址 碼 部分 （ 30） 裝 入 地 址 寄存 器 ， 其 中 30為 內(nèi) 存中 存 放 操 作 數(shù) 的 地 址 。 5.2 指 令 周 期l 5.2.3訪(fǎng) 存 一 次 的 指 令 （ ADD）l 2 取 操 作 數(shù) 并 執(zhí) 行 加 法l 1） 把 地 址 寄 存 器 中 的 操 作數(shù) 的 地 址 （ 30） 發(fā) 送 到 地 址總 線(xiàn) 上 。l 2） 由 存 儲(chǔ) 器 單 元 30中 讀 出操 作 數(shù) （ 6） ， 并 經(jīng) 過(guò) 數(shù) 據(jù)總 線(xiàn) 傳 送 到 緩 沖 寄 存 器 。l 3） 執(zhí) 行 加 操 作 ： 由 數(shù) 據(jù) 緩沖 寄 存 器 來(lái) 的 操 作 數(shù) （ 6）可 送 往 ALU的 一 個(gè) 輸 入 端 ，等 候 在 累 加 器 內(nèi) 的 另 一 個(gè) 操作 數(shù) （ 因 為 CLA指 令 執(zhí) 行 結(jié)束 后 累 加 器 內(nèi) 容 為 零 ） 送 往 ALU的 另 一 個(gè) 輸 入 端 ， 產(chǎn) 生運(yùn) 算 結(jié) 果 6并 送 回 累 加 器 ，替 換 了 原 有 的 0。 5.2 指 令 周 期l 5.2.4訪(fǎng) 存 一 次 的 指 令 （ STA） 5.2 指 令 周 期l 5.2.4訪(fǎng) 存 一 次 的 指 令（ STA）l 存 儲(chǔ) 和 數(shù)l CPU內(nèi) 數(shù) 據(jù) 流 向 圖 示l 1） 累 加 器 內(nèi) 容 6傳 送 至數(shù) 據(jù) 緩 沖 寄 存 器 DRl 2） AR內(nèi) 容 發(fā) 送 至 地 址 總線(xiàn) ， 40單 元 是 要 寫(xiě) 入 寫(xiě)入 數(shù) 據(jù) 的 單 元 。 l 3） DR內(nèi) 容 發(fā) 送 到 數(shù) 據(jù) 總線(xiàn)l 4） 數(shù) 據(jù) 總 線(xiàn) 內(nèi) 容 寫(xiě) 入 存儲(chǔ) 器 。 5.2 指 令 周 期l 5.2.5程 序 控 制 指 令（ NOP和 JMP） l 執(zhí) 行 的 動(dòng) 作 就 是 將 指 令 中指 定 的 地 址 21寫(xiě) 入 PC寄 存器 ， 執(zhí) 行 下 一 條 指 令 時(shí)CPU將 從 21地 址 取 指 令 。 5.2 指 令 周 期l 5.2.6用 方 框 流 圖 表 示 指 令 周 期