计算机组成原理第五章中央处理器CPU
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计算机组成原理 第五章 中央处理器
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主编 薛胜军教授
计算机组成原理
第五章 中央处理器
5）地址寄存器(AR，Address Register) 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。地址寄存器的结构和缓冲寄存器、指令 寄存器一样，通常使用单纯的寄存器结构。信息的存入 一般采用电位—脉冲式，电位输入端对应数据信息位， 脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时地 将信息打入寄存器。
1）程序计数器(PC，Program Counter) 程序计数器(PC)就是能够具体指出下一条指令的地址的部件，又称作 指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的第一条 指令所在的内存单元地址(程序入口)送入PC，此时PC的内容即是从内存 提取的第一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容， 以便使其保持总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按 顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单地对PC加1。但是，当遇到 转移指令时，后继指令的地址(即PC的内容)必须从指令寄存器中的地址字 段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定。
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主编 薛胜军教授
计算机组成原理
第五章 中央处理器
4)状态标志寄存器 状态标志寄存器用来保存由算术指令和逻辑指令运行 或测试的结果而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，状态标志寄存器还用来保存中断 和系统工作状态等信息，以便CPU和系统能及时了解机 器运行状态和程序运行状态。 运算器的主要作用是：
主编 薛胜军教授
计算机组成原理
第五章 中央处理器
5）地址寄存器(AR，Address Register) 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。地址寄存器的结构和缓冲寄存器、指令 寄存器一样，通常使用单纯的寄存器结构。信息的存入 一般采用电位—脉冲式，电位输入端对应数据信息位， 脉冲输入端对应控制信号，在控制信号作用下，瞬时地 将信息打入寄存器。
1）程序计数器(PC，Program Counter) 程序计数器(PC)就是能够具体指出下一条指令的地址的部件，又称作 指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的第一条 指令所在的内存单元地址(程序入口)送入PC，此时PC的内容即是从内存 提取的第一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容， 以便使其保持总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按 顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单地对PC加1。但是，当遇到 转移指令时，后继指令的地址(即PC的内容)必须从指令寄存器中的地址字 段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定。
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主编 薛胜军教授
计算机组成原理
第五章 中央处理器
4)状态标志寄存器 状态标志寄存器用来保存由算术指令和逻辑指令运行 或测试的结果而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，状态标志寄存器还用来保存中断 和系统工作状态等信息，以便CPU和系统能及时了解机 器运行状态和程序运行状态。 运算器的主要作用是：
计算机组成原理第6版(白中英)第5章中央处理器
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5.2.1 指令周期的基本概念
也叫节拍脉冲或T周期，是计算机处理操作的基本时间单位。 在一个CPU周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的 可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而需要把 一个CPU周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为 一个节拍脉冲或T周期。 时钟周期通常定义为机器主频的倒数。
10
5.2.1 指令周期的基本概念
CPU执行程序是一个“取指令—执行指令”的循环过程。
CPU从内存中取出一条指令，并执行这条指令的时间总和； 指令周期常用若干个CPU周期来表示。 又称机器周期，一般为从内存读取一条指令字的最短时间； 一个CPU周期可以完成CPU的一个基本操作。 一个CPU周期包含若干时钟周期。
3
3
5.1.2 CPU的基本组成
现代的CPU的组成
冯·诺依曼机的定义
• 运算器、控制器 、片内Cache；
控制器的主要功能
• 从内存中取出一条指令，并指出下条指令的存放位置；PC、IR
• 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；
ID、时序电路、操 作控制器
• 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动；
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5.2.1 指令周期的基本概念
定长CPU周期的指令示意图：
单周期CPU：在一个时钟周期内完成从指令取出到得到结果的工作，
以最长指令为准，效率低，目前较少采用。
多周期CPU：将指令的执行分成多个阶段，每个阶段在一个时钟周期
内完成，因而时钟周期段，不同指令所用的周期数不同。以下仅讨论多周 期CPU。
求操作数 有效地址
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5.2.1 指令周期的基本概念 一个简单的程序
地址 指令
说明
100
5.2.1 指令周期的基本概念
也叫节拍脉冲或T周期，是计算机处理操作的基本时间单位。 在一个CPU周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的 可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而需要把 一个CPU周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为 一个节拍脉冲或T周期。 时钟周期通常定义为机器主频的倒数。
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5.2.1 指令周期的基本概念
CPU执行程序是一个“取指令—执行指令”的循环过程。
CPU从内存中取出一条指令，并执行这条指令的时间总和； 指令周期常用若干个CPU周期来表示。 又称机器周期，一般为从内存读取一条指令字的最短时间； 一个CPU周期可以完成CPU的一个基本操作。 一个CPU周期包含若干时钟周期。
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5.1.2 CPU的基本组成
现代的CPU的组成
冯·诺依曼机的定义
• 运算器、控制器 、片内Cache；
控制器的主要功能
• 从内存中取出一条指令，并指出下条指令的存放位置；PC、IR
• 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；
ID、时序电路、操 作控制器
• 控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动；
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5.2.1 指令周期的基本概念
定长CPU周期的指令示意图：
单周期CPU：在一个时钟周期内完成从指令取出到得到结果的工作，
以最长指令为准，效率低，目前较少采用。
多周期CPU：将指令的执行分成多个阶段，每个阶段在一个时钟周期
内完成，因而时钟周期段，不同指令所用的周期数不同。以下仅讨论多周 期CPU。
求操作数 有效地址
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5.2.1 指令周期的基本概念 一个简单的程序
地址 指令
说明
100
第五章 计算机组成原理 中央处理器new
指令周期
三者的关系：一个指令周期由若干个机器周期组成， 每个机器周期又由若干个时钟周期组成。
指令周期
由于各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂， 因此各种指令的指令周期不尽相同。任何一条指令， 它的指令周期至少需要两个CPU周期，而复杂一些的 指令周期，则需要更多的CPU周期。
通常将指令周期分成两个阶段—— 取指令、分析指令阶段和执行指令 阶段。第一个阶段完成取指令和分 析指令功能，对所有指令阶段都相 同，因此也称为公共操作阶段。不 同的指令功能体现在执行指令的各 个阶段中。
数据缓冲寄存器（DR） 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。 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，先把它从内存取到数据缓冲寄 存器中，然后再传送至指令寄存器。
指令的执行过程
在计算机内运行的程序必须事先经输入设备输入到 主存储器中, 然后CPU从存放程序的内存里取出一条 指令并执行这条指令；紧接着又是取指令，执行指 令……，如此周而复始，构成了一个封闭的循环。 除非遇到停机指令，否则这个循环将一直继续下去。
任何一条机器指令必须从主存储器中取出来才能被 执行，因此指令的执行过程应从取指令开始到执行 完指令功能为止。
节拍电位
节拍的宽度取决于CPU完成一次微操作的时间，如： ALU一次正确的运算，寄存器间的一次传送等。 节拍 电位 在各条不同指令的不同机器周期的不同节拍中应产 生什么微操作控制信号是由指令操作流程图严格规 定的，所以时序部件 实质上只需要产生各个机器周 期中的节拍信息。
节拍脉冲
所有的操作是按节拍进行的，在节拍电位有效期间产生 的脉冲叫做“节拍脉冲”。一个节拍中可产生多个节拍 脉冲。
计算机组成原理第5章 中央处理器
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几种典型指令周期分析（ STA）
STA 40 指令的功能：把累加器内容送存储单元（40） 。这 是一条访内存存数指令。 取指令 执行指令： 将操作数的地址送往地址寄存器； 累加器的内容送到数据缓冲寄存器DR； 把地址寄存器的内容（40）送到地址总线； 把数据缓冲寄存器的内容送到数据总线； 数据总线上的数写入选中的存储单元（40）。 具体过程描述如图 小结：它由三个CPU周期组成。
两部分。
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50
四、 微程序设计举例
设计思想：
一条机器指令是由若干条微指令组成的序列实现的。一 条机器指令对应一个微程序，而微程序的总和可实现整
个指令系统。
微指令又是“一个CPU周期中一组实现一定操作功能的 微命令的组合”。 分析指令系统的每条指令的微命令及如何组合为微指令 是很重要的。
51
举例：设计“十进制
22
23
STA指令的指令周期
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几种典型指令周期分析（ NOP和JMP）
NOP：空操作指令。在第二CPU周期中不发出任何 ห้องสมุดไป่ตู้制信号。
JMP指令是一个程序控制指令，在执行周期中只是
改变了PC的内容。
25
26
几种典型指令周期分析
小结：
指令周期分取指令周期、执行指令周期两大部分；
执行指令时间的长短不同，可能包括一～三个CPU周期；
6
8086内部结构图
通用 寄存 器 AH BH CH DH AL BL CL DL SP BP SI DI
16位
地址 加法 器
∑
20位
CS DS SS ES IP 内部暂存器
16位
输入/输出 控制电路 外 部 总 线
计算机组成原理第5章 中央处理器
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第二节 一、指令执行分析 任何一条指令的执行都要经过读取指令、分析 指令和执行指令三个阶段。指令执行过程一般可分 为：1）取指令 2 3 4 5
20
图5.5
流水处理
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二、 计算机的功能是执行程序。执行程序时，计算 机操作由一系列指令周期组成，每个周期执行一条 机器指令，而每个指令周期又由若干个机器周期组 成，一种通常的办法是分解成取指、取操作数、执 行和中断，只有取指和执行周期总是必有的。 1 2 图
10
二、时序控制方式 计算机的基本任务是执行指令。执行一条指令 的过程是分为若干步来实现的，每一步对应某些微 操作。由于不同指令所对应的微操作及繁简程度大 不相同，因而每条指令和每个微操作所需的执行时 间也不相同，这就需要引入时序信号来对这些微操 作进行定时控制。时序控制方式，就是指微操作与 时序信号之间采取何种关系。按照同步或非同步的 关系，可将时序控制方式分为同步控制和异步控制
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计算机从取指令到执行完指令所需要的时间称 为指令周期。不同的指令，其功能不同，其指令周 期长短也就可以不同。在系统中，通常不为指令周 期设置时间标志信号，因而也不将其作为时序的一 级。时序信号通常划分为三级，即机器周期、节拍
14
图5.2
时序系统结构框图
15
3) 异步控制方式中没有统一的时钟信号，各部件 按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络， 常见的应答信号有准备好（READY）或等待（ WAIT
16
图5.3 多级时序
17
图5.4
异步应答流程
18
在CPU中，控制器的任务是决定在什么时间、 根据什么条件、发什么命令、做什么操作。因此， 产生微命令的基本依据是时间、指令代码、状态、 外部请求等。这些信息或作为逻辑变量，经组合逻 辑电路产生微命令序列；或形成相应的微程序地址， 通过执行微指令直接产生微命令序列。按照微命令 的产生方式，可将控制器分为组合逻辑控制器和微
计算机组成原理第5章中央处理器 PPT课件
IRo PCo
R2Y
R0X
A总线
DRi R0i
R3i
Xi
＋ －
DR R0 R1 R2 R3
X
ALU
DRo R0o
Y R3o Yi
B总线
G G
X＋YR0
IRi PCi ARi R/W IR PC AR M
IRo PCo
A总线
DRi R0i
R3i
Xi
＋ －
DR R0 R1 R2 R3
X
ALU
DRo R0o
地址总线ABUS
算术逻辑单元
0A+6L=U6
累加器AC 000 006
+1
取指 控制
操作控制器
时序产生器
执行 控制
时钟
状态 反馈
c
指令译码器
c
20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 JMP 21
30 000 006 31 40
ADD
0A0D0 D006
c
缓冲寄存器DR
ADD @ X 取指周期
C3
AC
PC
IR
C0
C4
时钟
CU 标志 … 控制信号
ALU
… …
控制 信号
C2 MM DD RR
C1 M A R
ADD @ X 间址周期
C3
AC
PPCC
IR
C0
时钟
CU 标志 … 控制信号
ALU
… …
控制 信号
C2 MM DD RR C5
C1 M A R
ADD @ X 执行周期
执行CLA指令
算术逻辑单元
西安电子科技大学_计算机组成原理第5章中央处理器_课件PPT
控制信号 指令译码 /控制器
F→IR
IR
总线B IR→B
设ALU的功能有： F = A + B (ADD)， F = A - B (SUB)， F = A + 1 (INC)， F = A - 1 (DEC)，
MAR F→MAR
ABUS
M
Read Write
DBUS
F→PC F→R0 F→R1
F→Rn-1
28
5了5条微指令I1～I5所发出的控制信号a～j。 设计微指令的控制字段，要求保持微指令本身的并 行性，需要最少的控制位数为______。
A. 6
B. 7
C. 8
D. 10
微指令
激活的控制信号
abcde f gh i j
I1 √
√√√
I2
√√
√√
I3
西安电子科技大学 计算机学院
计算机组成原理考研辅导
5 第 章 中央处理器
2021年9月3日 21:40:12
考研大纲
（一）CPU的功能和基本结构 （二）指令执行过程 （三）数据通路的功能和基本结构 （四）控制器的功能和工作原理
1. 硬布线控制器 2. 微程序控制器
微程序、微指令和微命令 微指令格式，微命令的编码方式 微地址的形成方式
水平型 垂直型 混合型
A1 A2 … An-1 An 判断测试字段 后续地址字段
操作控制
顺序控制
μOP 微操作码
Rd 目的地址
Rs 源地址
25
5.4 硬布线控制器和微程序控制器 二、微程序控制器 硬布线与微程序控制器的特点： 硬布线：速度快，不规整，修改及扩充困难 微程序：速度慢，规整，容易修改及扩充
21central 计算机组成原理 第五章 中央处理器(1)
2、有关时序的概念。
5.1 CPU的功能和组成
❖ 一、指令控制算机的工作过程实际是一个取指令——执行指令的循环；
❖ 上电→产生复位信号→执行程序→停机→下电。
❖ ∴控制器的首要任务应该是保证指令流正常运转，即保证按 程序中规定的指令顺序完成指令的执行。
❖ 二、操作控制
❖ 一、程序计数器PC（Program Counter）
❖ 存放待执行指令在存储器中的地址，又叫指令地址寄存器。
❖ 任何程序执行前，需将程序首地址置入PC中。一般PC内容 顺序增1；遇转移类指令，将目标地址置入PC即可。
❖ 二、指令寄存器IR（Instruction Register）
❖ 用来存放从存储器中取出的待执行指令。
❖ 五、操作控制部件——微操作控制信号的产生部件
❖ 任何指令的执行过程都是一个微操作序列产生的过程；操作 控制部件就是用来产生与各条指令对应的微操作控制信号。
❖ 所谓“控制器的设计”主要就是针对该部件而言。具体地说 控制器的设计有三种方法（也叫控制器的三种构成方式）：
❖ （1）组合逻辑的设计方法，又叫硬布线方法、常规的控制 器设计方法；
❖ 5.2.1 指令周期的基本概念
❖ 一、指令周期
❖ 一条指令从主存储器中取出来到执行完毕所需要的时间，常 将其分成两个阶段——取指令、分析和执行指令。
❖ 二、机器周期（CPU周期）
❖ 一个指令周期由若干个机器周期构成。不同指令周期中机器 周期的种类和数量可能不同。
❖ 每条指令的第一个机器周期都是取指令周期，然后 有一个或几个执行周期。
存
去
主
地址形成逻辑
存
程序计数器PC +1
…. …. …. …
操作控制 部件
5.1 CPU的功能和组成
❖ 一、指令控制算机的工作过程实际是一个取指令——执行指令的循环；
❖ 上电→产生复位信号→执行程序→停机→下电。
❖ ∴控制器的首要任务应该是保证指令流正常运转，即保证按 程序中规定的指令顺序完成指令的执行。
❖ 二、操作控制
❖ 一、程序计数器PC（Program Counter）
❖ 存放待执行指令在存储器中的地址，又叫指令地址寄存器。
❖ 任何程序执行前，需将程序首地址置入PC中。一般PC内容 顺序增1；遇转移类指令，将目标地址置入PC即可。
❖ 二、指令寄存器IR（Instruction Register）
❖ 用来存放从存储器中取出的待执行指令。
❖ 五、操作控制部件——微操作控制信号的产生部件
❖ 任何指令的执行过程都是一个微操作序列产生的过程；操作 控制部件就是用来产生与各条指令对应的微操作控制信号。
❖ 所谓“控制器的设计”主要就是针对该部件而言。具体地说 控制器的设计有三种方法（也叫控制器的三种构成方式）：
❖ （1）组合逻辑的设计方法，又叫硬布线方法、常规的控制 器设计方法；
❖ 5.2.1 指令周期的基本概念
❖ 一、指令周期
❖ 一条指令从主存储器中取出来到执行完毕所需要的时间，常 将其分成两个阶段——取指令、分析和执行指令。
❖ 二、机器周期（CPU周期）
❖ 一个指令周期由若干个机器周期构成。不同指令周期中机器 周期的种类和数量可能不同。
❖ 每条指令的第一个机器周期都是取指令周期，然后 有一个或几个执行周期。
存
去
主
地址形成逻辑
存
程序计数器PC +1
…. …. …. …
操作控制 部件
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二、组成 运算器 控制器 ……
CPU模型
三、CPU中的主要寄存器(功用)
指令寄存器（IR）
程序计数器（PC）
地址寄存器（AR）
PSW中的C、V、Z、
数据缓冲寄存器（DR）
N
通用寄存器(R….)
状态条件寄存器（PSW）
总结 ---------CPU的组成：运算器、控制器、寄存器、 内部cache、时序部件、中断系统、总线接口
序信号的方法
1.同步控制:(有公用时钟)统一、不定长、 中央控制与局部控制结合。
2.异步控制：应答式 3.联合控制方式
小结
指令周期中要按时序发生相应的信号 硬布线控制器中和微程序控制器中的时
序信号体制是什么样的？ 时序信号产生器由哪四部分构成？ 时序信号的控制方式有哪三种？ 作业P181，2，3，（用P140的图5.15） 思考作业题如果用图5.1有什么问题。
基址寄存器
写出6种寻方式的名称
(根据有效地址)
思考：P125，1,3－ 6,12。其它习题不要求
第五章 中央处理器CPU
CPU的功能和基本组成 指令周期 时序产生器 微程序控制器及其设计技术 硬布线控制器 流水CPU
5.1 CPU的功能和组成
一、功能 指令控制 操作控制 时间控制 数据加工
LAD R1，6
LAD R1，6执行过 程：(6) →R1 取指令－－－ PC＝102 PC→ABUS（I），
PC＋1 LAD指令→IR 译码 执行－－－ IR中地址码→AR
读数据→DBUS →DR
DR →R1
六、JMP 101 101->PC 指令周期
ADD、STO指令 的执行周期，
请自学
JMP 101 执行过程： (6) →R1 取指令－－－ PC＝105 PC→ABUS（I），
七、用方框图表示指菱令形周代表期译码，不 是单独的周期
~代表公操作，如
果没有公操作，则 转入下一取指令周 期
P139，例1 画流程图并写微操作控制信号序列 （1）ADD R2,R0 (R0)+(R2) →R0 (2) SUB R1,R3 (R3)-(R1) →R3
5.3 时序产生器和控制方式
一、时序信号的作用和体制 硬布线控制器中：主状态周期－节拍电
想想每步操作 需要的信号？ （微命令）
看看有没有 其它的执行
通路？
MOV R0,行过 程：(R1) →R0 取指令－－－
PC＝101 PC→ABUS（I），
PC＋1 MOV指令→IR 译码
执行－－－
选择R1为源，*(R0 为目标) 控制ALU作传送 DR →R0
三、LAD R1,6 (6)->R1 指令周期
位－节拍脉冲 微程序控制器中：节拍电位－节拍脉冲
二、时序信号产生器
Rd,T1 启停控制逻辑
Rd`,T1` 控制逻辑与时序逻 辑
C1-C4 环形脉冲发生器
时钟脉冲源
实验仪中的时序
主
时 KK（KK1，KK2）
控 单各
钟
元功
START（STEP，RUN） 的 T1 －
能 部 件
T4
三、控制方式：控制不同操作序列时
PC＋1 LAD指令→IR 译码 执行－－－ IR中地址码→PC
复习
CPU组成部分说出至少5部分。 CPU中的寄存器PC、IR、AR、DR、PSW的名
称和功能是什么？ PSW中的C、V、Z、N标志什么信息？ 指令周期、CPU周期与时钟周期的关系怎样？ －－执行过程与通路图有关
一般每框表示一个 CPU周期
四、操作控制器与时序产生器
数据通路 根据控制器的设计思想分类：硬布线控制器、
微程序控制器 时序 中断系统、总线接口等
5.2 指令周期
一、指令周期的基本概念
指令周期 机器周期（CPU周期） 时钟周期
P131,表5.1，认识六条指令，接下来要讲这六条指令的周期
二、MOV R0,R1 (R1)->R0 指令周期
寻址方式 有效地址E算法 说明
(1)
复习指令系(统2)
概念：指令和指令系统(3)
概念：系统计算机
(4)
试分析指令格式的特点(5)
OP(5位) -------- 源寄存器
位移量(16位)
E=R3 E=(PC)+/-D PC为程序计数器 E=(R2)+/-D R2为变址寄存器 E=(R3) E=(D)