第五章 中央处理器

指令周期
—读取指令
指令地址送入主存地址寄存器 读主存，读出内容送入指定的寄存器 形 成 下 一 条 指 令 地 址
—分析指令 —按指令规定内容执行指令
不同指令的操作步骤数 和具体操作内容差异很大
—检查有无中断请求
若无，则转入下一条指令的执行过程
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• 指令周期的基本概念
C
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CPU的功能和组成
5. 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。 6. 缓冲寄存器DR
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缓冲寄存器中。
时序产生器和控制方式
同步控制方式：
时钟
微操作信号1
微操作信号2
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时序产生器和控制方式
•异步控制方式： 每条指令、每个操作控制信号需要多 少时间就占用多少时间。这意味着每条指 令的指令周期可由多少不等的机器周期数 组成。
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时序产生器和控制方式
时序产生器和控制方式 • 硬布线控制器中
– 时序信号采用主状态周期——节拍电位— 节拍脉冲 三级体制。
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时序产生器和控制方式
• 主状态周期（指令周期）：包含若干个 节拍周期，可以用一个触发器的状态持 续时间来表示。 • 节拍电位（机器周期）：表示一个CPU 周期的时间，包含若干个节拍脉冲，表 示较大的时间单位。 • 节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时 间单位。
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5.2 指令周期
• 程序的执行过程： 冯.诺依曼结构的计算机执行程序的顺序：
1. 从程序首地址开始。 2. 分步执行每一条指令，并形成下条待执行指令 的地址。 3. 自动地连续执行指令，直到程序的最后一条指 令。
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•指令的执行过程
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5.2.5 ADD指令的指令周期
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5.2.5 STO指令的指令周期
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5.2.5 STO指令的指令周期
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5.2.6 JMP指令的指令周期
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第五章 中央处理器
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第五章 中央处理器
• • • • • • • CPU的功能和组成 (掌握) 教学要求 指令周期（掌握） • 课堂上注意听 时序产生器和控制方式(理解) 讲、重要的是 理解 微程序控制器（掌握） • 课堂外一定要 看书复习或预 微程序设计技术（掌握） 习、完成作业 硬布线控制器(理解) CPU的新技术(理解)
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5.1 CPU的功能和组成
•什么是CPU？
所谓中央处理器是控制计算机来自动 完成取出指令和执行指令任务的部件。它 是计算机的核心部件，通常简称为CPU。
•CPU的基本组成
中央处理器由两个主要部 分——控制器和运算器组成。
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•控制器
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微操作 信号 微操作 信号
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5.2.7 用方框 图语言表示指 令周期
ALU0
ALU0
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操作控制器和时序产生器
1. 数据通路：通常把许多寄存器之间传送信息的通路称 为“数据通路”。 2. 操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种 操作信号，以便正确建立数据通路，从而完成取指令和执 行指令的操作。 3. 时序产生器：因为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。时序产生器的 作用，就是对各种操作实施时间上的控制。
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时序产生器和控制方式
• 微程序控制器时序信号产生器的组成
–时钟源 –环形脉冲发生器 –节拍脉冲和读/写时序的译码 –启停控制逻辑
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时序产生器和控制方式
IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4
启停控制逻辑 启停控制逻辑
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环形脉冲发生器
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节拍电位与节拍脉冲时序关系图
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时序产生器和控制方式
• 控制方式 • 同步控制方式：在任何情况下，已定的指令在执 行时所需的机器周期数和时钟周期数都是固定不 变的。
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5.2.7 用方框图语言表示指令周期
取指
执行
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•
例：如图所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指
令寄存器，PC为程序计数器(具有自增功能)，M为主存 (受R/W信号控制)，AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄 存器， ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控 制信号G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈 表示有控制信号，例中yi表示y寄存器的输入控制信号， R1o为寄存器R1的输出控制信号，未标字符的线为直通 线，不受控制。 1.“ADD R2，R0”指令完成（R0）+（R2）→R0功能操作。假 设该指令的地址已放入PC中。 2.“SUB R1，R3”指令完成（R3）-（R1）→R3的功能操作。
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CPU的功能和组成
• CPU的主要寄存器
1.累加寄存器AC
累加寄存器AC通常简称为累加器，它的功能是：当运 算器的算术逻辑单元（ALU）执行全部算术和逻辑运算时， 为ALU提供一个工作区。累加寄存器是暂时存放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。
由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译 码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命 令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机 系统的操作。 控制器的主要功能有： 1.从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内 存中的位臵。 2.对指令进行译码或测试，并产生相应的控制信号。 3.输出相应的控制信号，指挥并控制 CPU ，内存和 I/O之间的数据流动的方向。
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•运算器
由算术逻辑单位（ALU）、累加寄存器（AC）、 数据缓冲寄存器(DR)和状态条件寄存器(PSW)组成， 它是数据加工处理部件。 相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而 进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制 器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。 运算器的主要功能： 1.执行所有的算术运算。 2.执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。
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CPU的功能
（1）指令控制 ：程序是指令的有序集合，保证机器 按规定的顺序执行程序。 （2）操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指 令的操作信号，并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。 （3）时间控制： 对各种操作实施时间上的控制，计算 机中各种指令的操作信号均受到时间的严格控制。 （4）数据加工： 对数据进行算术运算和逻辑运算处 理。完成数据的加工处理，这是CPU的根本的任务。
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指令周期
取指令
T周期
执行指令
T1
T2
T3
T4
CPU周期 （执行指令 ） 指令周期
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CPU周期 （取指令）
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5.2.2 MOV指令的指令周期


取指周期 执行周期
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5.2.2 MOV指令的指令周期——取指
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• 微程序控制中
– 时序信号采用节拍电位——节拍脉冲 二级体制。
控制信号，脉冲 数据，电位
触发器
数据准备好后，以电位的方式送触发器（可执行保存），
当控制信号来到后进用一个脉冲信号即可把数据装入触发器。
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5.2.2 MOV指令的指令周期——执行
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5.2.3 LAD指令的指令周期

取指周期 执行周期
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5.2.3 LAD指令的指令周期
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5.2.5 ADD指令的指令周期
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时序产生器和控制方式
• 时序信号的作用和体制
– 计算机的协调动作需要时间标志，而时间 标志则是用时序信号来体现的。 – 操作控制器发出的各种控制信号都是时间 因素（时序信号）和空间因素（部件位臵） 的函数。 – 组成计算机硬件的器件特性决定了时序信 号最基本的体制是电位---脉冲制。