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第五章第五章中央处理器中央处理器要点: 要点: 掌握掌握 CPU CPU 中控制器的工作过程,也就可以中控制器的工作过程,也就可以说掌握了计算机的全部工作过程。深入讨论说掌握了计算机的全部工作过程。深入讨论 CPU CPU 的工作原理、基本功能和控制方式。的工作原理、基本功能和控制方式。难点: 难点: CPU CPU 中控制器的时序、设计方法。中控制器的时序、设计方法。主要内容: CPU 的功能和组成(掌握) 指令周期(掌握) 时序产生器和控制方式(理解) 微程序控制器(掌握) 微程序设计技术(掌握) 硬布线控制器(理解)CPU 的新技术(理解) 教学要求课堂上注意听讲、重要的是理解课堂上注意听讲、重要的是理解课堂外一定要看书复****或预****完成作业课堂外一定要看书复****或预****完成作业 CPU CPU 的组成与功能的组成与功能一、一、 CPU CPU 的组成的组成 CPU CPU 由控制器运算器两个主要部件组成。由控制器运算器两个主要部件组成。逻辑结构图: 逻辑结构图: 主要内容: 主要内容: 中央处理器的硬件组成和中央处理器的功能。中央处理器的硬件组成和中央处理器的功能。 CPU CPU 的总体结构的总体结构程序计数器 PC ALU 操作控制器时序产生器指令译码器存储器输入/出数据总线 DBUS 地址总线 ABUS 地址寄存器 AR C C C C 算术逻辑单元 CPU 取指控制执行控制状态反馈时钟指令寄存器 IR 缓冲寄存器 DR C 累加器……累加器程序计数器 PC ALU 操作控制器时序产生器指令译码器存储器输入/出数据总线 DBUS 地址总线 ABUS 地址寄存器 AR C C C C 算术逻辑单元 CPU 取指控制执行控制状态反馈时钟指令寄存器 IR 缓冲寄存器 DR C ……算术逻辑单元 c ALU 取指控制执行控制时钟状态反馈操作控制器时序产生器状态条件寄存器累加器 c AC 指令译码器程序计数器 指令寄存器 c IR c 地址寄存器 AR 缓冲寄存器 DR 存储器输入/ 输出数据总线 DBUS 地址总线 A BUS由由程序计数器程序计数器 PC PC、指令寄存器、指令寄存器 IR IR、指令译码器、指令译码器 ID ID、时序产生器、时序产生器和和操作控制器操作控制器组成,它是发布命令组成,它是发布命令的的““决策机构决策机构””,即完成协调和指挥整个计算机系统,即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。的操作。 1、控制器控制器内的主要寄存器控制器内的主要寄存器: : 程序计数器程序计数器 PC(Program PC(Program Counter) Counter) : : 存放指令的地址(当前指令或者下一条指令地址) 存放指令的地址(当前指令或者下一条指令地址) 当指令顺序执行时,由当指令顺序执行时,由 PC+1 PC+1 产生下一条指令的地址; 产生下一条指令的地址; 当遇到转移指令时, 当遇到转移指令时, 转移地址转移地址??PC PC作为下一条指令的作为下一条指令的地址。地址。地址寄存器地址寄存器 AR AR(Address (Address Register) Register) : : 用来保存当前用来保存当前 CPU CPU 所访问的内存单元的地址。所访问的内存单元的地址。由于在内存和 CPU 之间存在着操作速度上的差别,所以必须使用地址寄存器来保持地址信息,直到内存的读/写操作完成为止。当CPU 和内存进行信息交换,即 CPU 向主存储器存/取数据时, 或者 CPU 从主存中读出指令时,都要使用地址寄存器和缓冲寄存器。同样若将外围设备的设备地址作为像内存的地址单元那样来看待,则当 CPU 和外围设备交换信息时可同样使用地址寄存器和缓冲寄存器。指令寄存器指令寄存器 IR IR(Instruction (Instruction Register) Register) : : 用来保存当前正在执行的一条指令。用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时,先把它从内存取到缓冲寄存器中,然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段,由二进制数字组成。指令译码器指令译码器 ID ID(Instruction (Instruction Decoder) Decoder) : : 对指令寄存器中的指令操作码字段进行译码。对指令寄存器中的指令操作码字段进行译码。译码器的输出信号送入操作控制信号形成部件,产生该指令所需要的有一定时序关系的操作控制信号序列。控制器主要功能控制器主要功能: : (1) 取指令。从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置; (2) 指令译码。对指令进行译码或测试,并产生相应的操作控制信号,以便启动规定的动