计算机硬件系统组成.ppt

第6章中央处理部件（CPU）第6章中央处理部件（CPU）二、各部件功能当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它编写程序。程序是一个指令序列，这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装入内存储器，就可以由计算机来自动完成取出指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计算机部件就是中央处理器（CPU）。CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能：（二）操作控制一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。6.2控制器一、控制器的分类微程序的控制器硬布线的控制器每条指令的执行步骤6.2控制器二、控制器的功能（一）取指令：（二）分析指令：（三）执行指令：（四）I/O操作：（五）处理异常：（一）程序计数器（PC）：（二）地址寄存器（AR）：地址寄存器用来保存当前CPU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向内存存/取数据时，或者CPU从内存中读出指令时，都要使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。同样，如果我们把外围设备的设备地址作为象内存的地址单元那样来看待，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。（三）数据缓冲寄存器（DR）：数据缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据缓冲寄存器中。缓冲寄存器的作用是：(1)作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站；(2)补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别；(3)在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。（四）指令寄存器（IR）指令寄存器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。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。指令译码器就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。（五）累加寄存器（AC）：累加寄存器AC通常简称为累加器，它是一个通用寄存器。其功能是：当运算器的算术逻辑单元（ALU）执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。累加寄存器暂时存放ALU运算的结果信息。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。目前CPU中的累加寄存器，多达16个，32个，甚至更多。当使用多个累加器时，就变成通用寄存器堆结构，其中任何一个可存放源操作数，也可存放结果操作数。在这种情况下，需要在指令格式中对寄存器号加以编址。（六）状态条件寄存器（PSW）：状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，如运算结果进位标志(C)，运算结果溢出标志(V)，运算结果为零标志(Z)，运算结果为负标志(N)等等。这些标志位通常分别由1位触发器保存。除此之外，状态条件寄存器还保存中断和系统工作状态等信息，以便使CPU和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是一个由各种状态条件标志拼凑而成的寄存器。（七）脉冲源及启停线路：脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是机器周期和工作脉冲的基准信号，在机器刚加电时，还应产生一个总清信号（reset）。启停线路保证可靠地送出封锁时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止，从而起动机器工作或使之停机。（八）时钟控制信号形成部件当机器启动后，在CLK时钟作用下，根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时序控制信号，并根据被控制功能部件的反馈信号调整时序控制信号。时序控制信号形成部件控制存储器四、组成控制器的基本电路（一）具有记忆功能的触发器以及由它组成的寄存器、计数器和存储单元。其特点是当输入信号消失后，源信号仍保留其中。（二）没有记忆功能的门电路及由它组成的加法器、算术逻辑运算单元（ALU）和各种逻辑电路等。其特点是当输入信号改变后，输出跟着改变。五、指令执行过程（一）基本概念1.指令周期：CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。2.CPU周期：又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。3.时钟周期：通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。下图示出了采用定长CPU周期的指令周期示意图。（二）CLA命令CLA是一条非访内指令，它需要两个CPU周期，其中取指令阶段