计算机原理-第五章中央处理器PPT课件
４。状态寄存器（SR）
存放ALU运算中的状态，如溢出、结果为零、结果为负、借进位等。 在现代计算机中使用程序状态寄存器PSW，它包含SR内容，同时还包含程序 优先级、工作方式和其它信息。计算机越大PSW所包含的内容越多，为便于 简化教学，我们规定PSW只包含SR和程序状态优先级（屏蔽码）。
５。内总线
地址译码器对指令的寻址方式字段、地址字段进行译码，提供操作数 的地址信息。
４。 时序信号发生器
产生周期、节拍、脉冲等时序信号的部件。它循环产生一组时间 顺序信号，送到微操作产生部件，对微操作控制信号进行定时控制。
它由一个振荡器和一组计数分频器组成，振荡器是一个脉冲源， 输出频率稳定的主振脉冲。
2021/3/9
2021/3/9
授课：XXX
1
2021/3/9
图9－1 单总线CPU的结授构课：XXX
2
一、运算器及内总线
运算器主要由各种寄存器、移位器和ALU组成。它是具体负责对数 据进行加工处理的部件。
1。通用寄存器组（GR）
通用的含义是指寄存器的功能有多种用途，它可作为ALU的累加器、 变址寄存器、地址指针、指令计数器、数据缓冲器等，用于存放操作数 （包括源操作数、目的操作数）、运算结果、中间结果和各种地址信息 等。现代计算机的CPU都采用通用寄存器组结构并且是双端口的。
程序计数器PC
计数 接数
信号源
2021/3/9
时序信号发生器
授课：XXX
脉冲
节拍电位 机器周期
9
机器周期 节拍电位
时钟脉冲
2021/3/9
…… …
… …
授课：XXX
10
微操作产生部件根据设计思想的不同，可分为三种控制器：
（１）组合逻辑控制器：用组合逻辑电路的设计方法来设计微操作产 生
部件。 （２）ＰＬＡ控制器：用PLA（可编程逻辑阵列）电路实现。 （３）微程序控制器：用程序设计的方法来设计微操作产生部件，称
CPU内各种寄存器与ALU通过这组单总线连接起来进行数据传送，同 一时刻只能有一个部件往总线送数据（占据总线），但可有两个以上部件 接收数据。
2021/3/9
授课：XXX
4
二、主存接口
由地址寄存器MAR和数据缓冲寄存器MDR组成。CPU与主存之间 的信息交换，都是通过这两个寄存器来完成的。
１。地址寄存器MAR
数据，一般也先由DBUS送入MDR，再经CPU内部总线送入指定的寄存器。
MDR→DBUS→M， M→DBUS→MDR
写内存
读内存
注意：这两个寄存器对用户是透明的，不能直接编程访问。
2021/3/9
授课：XXX
5
三、控制器
它是产生全机控制信号的部件，是CPU设计的关键技术之一。
控制器的主要功能： （１）从内存中取指令，并计算下一条指令在内存中的地址； （２）对指令进行解释且产生相应的微操作控制信号，完成
CPU对主存进行读/写操作时，首先把要访问单元的地址送入MAR，经 存储地址总线（ABUS）送往主存。MAR中存放的是主存地址信息。
MAR→ABUS→M
２。数据缓冲寄存器MDR
MDR用来存放CPU与主存之间交换的数据。写入主存的数据一般先送
至MDR，再经存储数据总线（DBUS）送往主存。由主存读出送入CPU的
在指令系统中为这组寄存器分配编号，可以编程访问某个指定的 寄存器。
２。ALU及暂存器（LA、LB）
进行算术与逻辑运算的部件，前面已讲过，这里不再介绍。 暂存器LA、LB是暂时存放ALU要加工处理的数据的两个寄存器。
2021/3/9
授课：XXX
3
３。移位器
对ALU运算结果进行左移、右移和直传的操作，可配合乘除法及左右移位 指令的实现。
授课：XXX
7
５。微操作产生部件
根据指令流程，综合时序和指令译码信号，产生执行各条指 令所需要的微操作控制信号。
指令 操作码
指令译码器
时序信号
微操作 产生部件
微操作信号
： ： ： （送机内
各相应部 件）
2021/3/9
授课：XXX
8
指令译码器
指令代码
操作码 操作数地址码
指令寄存器IR
内存
指令地址
电路
2021/3/9
计算机工作原理示授课意：X图XX
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
所
有
微 操
控 制 信
作 .号
产
.
， 送
生 .机
部 件
.
内 各
.
部 件
12
§5.2 机器指令的周期划分与控制信号
5.2.1 指令执行分析
取指令，第一阶段 第二阶段 取操作数，第三阶段 执行指令，第四阶段
2021/3/9
授课：XXX
13
5.2.2 指令执行周期
为“存储逻辑”。
“硬连线控制器”
四、计算机工作原理示意图
取指令
执行指令
2021/3/9
授课：XXX
11
程序、原始数据 输入装置
计数 接数
运行结果 输出装置
程序计数器 PC
程 序 首 地 址
指 内存
令 地 址
读/写
转移地址
数 据
运算器
指 令
指令寄存器IR
操作数地址
操 作 码
指令译码器
操 作 数 地 址 时序
2021/3/9
授课：XXX
6
２。指令寄存器(IR)，Instruction Register
存放当前正在执行的指令。IR为微操作产生部件提供各种输入信息，以 产生不同指令所需的微操作控制信号。在IR中的指令要保存到该指令执行完 毕为止。
３。指令和地址译码器
指令译码器对指令的操作码进行译码，又称操作码译码器。它的输出 送到微操作产生部件。
指令所规定的操作。
控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、 地址译码器、微操作产生部件、时序发生器等组成。
１。程序计数器(PC)，Program Counter
又称为指令地址寄存器，存放下一条指令的地址。 CPU取指令时，将PC的内容送到主存储器的地址寄存器中，读 取该单元存放的指令，然后，自动修改形成下一条要执行的指令的 地址，一般PC自动加1就得到下条指令的地址。PC的具体硬件是可 预置数的计数器，如74161，74163等等。
第五章 中央处理器（CPU） (P161)
中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件，它 包括运算器和控制器两大部分。运算器在前面第二章已 学习过，本章重点研究控制器的组成与设计原理。
§5.1 基本概念
图9—1为单总线CPU的结构，它是在历史上著名的 PDP—11系列小型机基础上简化得到的教学模型结构，实际 机器要比它复杂得多。图上划分为三大部分，左边部分是 CPU的控制器，中间部分是运算器，右边部分为CPU与主 存储器的接口及主存。
存放ALU运算中的状态，如溢出、结果为零、结果为负、借进位等。 在现代计算机中使用程序状态寄存器PSW，它包含SR内容，同时还包含程序 优先级、工作方式和其它信息。计算机越大PSW所包含的内容越多，为便于 简化教学，我们规定PSW只包含SR和程序状态优先级（屏蔽码）。
５。内总线
地址译码器对指令的寻址方式字段、地址字段进行译码，提供操作数 的地址信息。
４。 时序信号发生器
产生周期、节拍、脉冲等时序信号的部件。它循环产生一组时间 顺序信号，送到微操作产生部件，对微操作控制信号进行定时控制。
它由一个振荡器和一组计数分频器组成，振荡器是一个脉冲源， 输出频率稳定的主振脉冲。
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1
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图9－1 单总线CPU的结授构课：XXX
2
一、运算器及内总线
运算器主要由各种寄存器、移位器和ALU组成。它是具体负责对数 据进行加工处理的部件。
1。通用寄存器组（GR）
通用的含义是指寄存器的功能有多种用途，它可作为ALU的累加器、 变址寄存器、地址指针、指令计数器、数据缓冲器等，用于存放操作数 （包括源操作数、目的操作数）、运算结果、中间结果和各种地址信息 等。现代计算机的CPU都采用通用寄存器组结构并且是双端口的。
程序计数器PC
计数 接数
信号源
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时序信号发生器
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节拍电位 机器周期
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机器周期 节拍电位
时钟脉冲
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…… …
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微操作产生部件根据设计思想的不同，可分为三种控制器：
（１）组合逻辑控制器：用组合逻辑电路的设计方法来设计微操作产 生
部件。 （２）ＰＬＡ控制器：用PLA（可编程逻辑阵列）电路实现。 （３）微程序控制器：用程序设计的方法来设计微操作产生部件，称
CPU内各种寄存器与ALU通过这组单总线连接起来进行数据传送，同 一时刻只能有一个部件往总线送数据（占据总线），但可有两个以上部件 接收数据。
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二、主存接口
由地址寄存器MAR和数据缓冲寄存器MDR组成。CPU与主存之间 的信息交换，都是通过这两个寄存器来完成的。
１。地址寄存器MAR
数据，一般也先由DBUS送入MDR，再经CPU内部总线送入指定的寄存器。
MDR→DBUS→M， M→DBUS→MDR
写内存
读内存
注意：这两个寄存器对用户是透明的，不能直接编程访问。
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三、控制器
它是产生全机控制信号的部件，是CPU设计的关键技术之一。
控制器的主要功能： （１）从内存中取指令，并计算下一条指令在内存中的地址； （２）对指令进行解释且产生相应的微操作控制信号，完成
CPU对主存进行读/写操作时，首先把要访问单元的地址送入MAR，经 存储地址总线（ABUS）送往主存。MAR中存放的是主存地址信息。
MAR→ABUS→M
２。数据缓冲寄存器MDR
MDR用来存放CPU与主存之间交换的数据。写入主存的数据一般先送
至MDR，再经存储数据总线（DBUS）送往主存。由主存读出送入CPU的
在指令系统中为这组寄存器分配编号，可以编程访问某个指定的 寄存器。
２。ALU及暂存器（LA、LB）
进行算术与逻辑运算的部件，前面已讲过，这里不再介绍。 暂存器LA、LB是暂时存放ALU要加工处理的数据的两个寄存器。
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3
３。移位器
对ALU运算结果进行左移、右移和直传的操作，可配合乘除法及左右移位 指令的实现。
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7
５。微操作产生部件
根据指令流程，综合时序和指令译码信号，产生执行各条指 令所需要的微操作控制信号。
指令 操作码
指令译码器
时序信号
微操作 产生部件
微操作信号
： ： ： （送机内
各相应部 件）
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指令译码器
指令代码
操作码 操作数地址码
指令寄存器IR
内存
指令地址
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§5.2 机器指令的周期划分与控制信号
5.2.1 指令执行分析
取指令，第一阶段 第二阶段 取操作数，第三阶段 执行指令，第四阶段
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13
5.2.2 指令执行周期
为“存储逻辑”。
“硬连线控制器”
四、计算机工作原理示意图
取指令
执行指令
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11
程序、原始数据 输入装置
计数 接数
运行结果 输出装置
程序计数器 PC
程 序 首 地 址
指 内存
令 地 址
读/写
转移地址
数 据
运算器
指 令
指令寄存器IR
操作数地址
操 作 码
指令译码器
操 作 数 地 址 时序
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２。指令寄存器(IR)，Instruction Register
存放当前正在执行的指令。IR为微操作产生部件提供各种输入信息，以 产生不同指令所需的微操作控制信号。在IR中的指令要保存到该指令执行完 毕为止。
３。指令和地址译码器
指令译码器对指令的操作码进行译码，又称操作码译码器。它的输出 送到微操作产生部件。
指令所规定的操作。
控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、 地址译码器、微操作产生部件、时序发生器等组成。
１。程序计数器(PC)，Program Counter
又称为指令地址寄存器，存放下一条指令的地址。 CPU取指令时，将PC的内容送到主存储器的地址寄存器中，读 取该单元存放的指令，然后，自动修改形成下一条要执行的指令的 地址，一般PC自动加1就得到下条指令的地址。PC的具体硬件是可 预置数的计数器，如74161，74163等等。
第五章 中央处理器（CPU） (P161)
中央处理器（CPU）是计算机系统的核心部件，它 包括运算器和控制器两大部分。运算器在前面第二章已 学习过，本章重点研究控制器的组成与设计原理。
§5.1 基本概念
图9—1为单总线CPU的结构，它是在历史上著名的 PDP—11系列小型机基础上简化得到的教学模型结构，实际 机器要比它复杂得多。图上划分为三大部分，左边部分是 CPU的控制器，中间部分是运算器，右边部分为CPU与主 存储器的接口及主存。
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计算机组成原理 第五章 中央处理器
6
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。
9
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：
第5章 中央处理器PPT课件
第五章 中央处理器
01.08.2020 5:04
11
整体 概述
01.08.2020 5:04
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
22
第五章 中央处理器
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)
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。
01.08.2020 5:04
66
CPU
状态条件寄存器
算术逻辑单元
ALU
程序计数器PC
累加器AC
c
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
地址寄存指令寄存器IR
地址总线ABUS
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。
01.08.2020 5:04
12 12
•指令的执行过程 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
—分析指令
成 下
—按指令规定内容执行指令
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。
01.08.2020 5:04
10 10
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。
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整体 概述
01.08.2020 5:04
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
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第五章 中央处理器
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)
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。
01.08.2020 5:04
66
CPU
状态条件寄存器
算术逻辑单元
ALU
程序计数器PC
累加器AC
c
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
地址寄存指令寄存器IR
地址总线ABUS
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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12 12
•指令的执行过程 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
—分析指令
成 下
—按指令规定内容执行指令
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。
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10 10
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。
计算机组成原理第6版(白中英)第5章中央处理器
11
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；
12
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
14
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。
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
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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；
12
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
14
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
计算机组成原理第5章 中央处理器
19
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
21
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
13
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 第五章中央处理器53PPT课件
❖ 指令指针IP的功能相当于一般机器的程序计 数器PC，但是IP要与代码分段寄存器CS相 配合才能形成真正的物理地址。
❖ 状态寄存器PSW由九个标志位组成，以反映 操作结果的某些状态或机器运行状态。
17
5.6.1 Intel 8088 CPU
❖ 四个16位的段寄存器，用来存放主存段地址 (代码段CS，数据段DS，堆栈段SS，附加段 ES)。 通过把某个段寄存器左移4位低位补零 后与16位偏移地址相加的方法可形成20位长 度的实际地址，从而可使主存具有一兆字节 (2的20次方=1M)的寻址能力。
第五章 中央处理器
5.5 硬连线控制器
整体概述Hale Waihona Puke 概述一点击此处输入
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概述二
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概述三
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2
1 基本思想
(1)实现方法 ❖ 通过逻辑电路直接连线而产生的，又
称为组合逻辑控制方式 (2)设计目标 ❖ 使用最少元件（复杂的树形网络） ❖ 速度最高
3
1 基本思想
7
第五章 中央处理器
5.6 传统CPU
8
1 M68000CPU
❖M6800CPU的逻辑框图如下：
9
1 M68000CPU
❖ 比较典型的单总线结构的微理器。 ❖ M6800CPU是一种8位微处理器，采用单一的5V电
源。时钟脉冲采用两相(φ1，φ2)，主频为1MHz，由 外面加入CPU。 ❖ M6800的CPU主要包括：
(1)定点运算，包括整数计算和有效 地址的计算；
(2)浮点运算； (3)可变长运算，包括十进制算术运
算和字符串操作。
22
5.6.2 IBM 370 系列 CPU
❖ 状态寄存器PSW由九个标志位组成，以反映 操作结果的某些状态或机器运行状态。
17
5.6.1 Intel 8088 CPU
❖ 四个16位的段寄存器，用来存放主存段地址 (代码段CS，数据段DS，堆栈段SS，附加段 ES)。 通过把某个段寄存器左移4位低位补零 后与16位偏移地址相加的方法可形成20位长 度的实际地址，从而可使主存具有一兆字节 (2的20次方=1M)的寻址能力。
第五章 中央处理器
5.5 硬连线控制器
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2
1 基本思想
(1)实现方法 ❖ 通过逻辑电路直接连线而产生的，又
称为组合逻辑控制方式 (2)设计目标 ❖ 使用最少元件（复杂的树形网络） ❖ 速度最高
3
1 基本思想
7
第五章 中央处理器
5.6 传统CPU
8
1 M68000CPU
❖M6800CPU的逻辑框图如下：
9
1 M68000CPU
❖ 比较典型的单总线结构的微理器。 ❖ M6800CPU是一种8位微处理器，采用单一的5V电
源。时钟脉冲采用两相(φ1，φ2)，主频为1MHz，由 外面加入CPU。 ❖ M6800的CPU主要包括：
(1)定点运算，包括整数计算和有效 地址的计算；
(2)浮点运算； (3)可变长运算，包括十进制算术运
算和字符串操作。
22
5.6.2 IBM 370 系列 CPU
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
《中央处理器》课件
量子计算处理器
总结词
量子计算处理器是一种基于量子力学原理的 处理器，具有超强的计算能力和处理复杂问 题的潜力。
详细描述
量子计算处理器利用量子比特作为信息的基 本单位，通过量子叠加和量子纠缠等量子力 学现象，实现高度并行计算和指数级加速。 它有望解决一些经典计算机无法处理的复杂 问题，如化学反应模拟、优化问题等。目前 量子计算技术仍处于发展初期，但未来有望
人工智能集成
人工智能和机器学习技术在中 央处理器中的应用将更加广泛 ，集成AI功能的处理器将逐渐
普及。
未来中央处理器的技术挑战与机遇
制程技术瓶颈
随着制程技术逐渐接近物理极限，如 何进一步提升中央处理器的性能面临 挑战。
数据安全与隐私保护
随着中央处理器广泛应用于各种设备 ，数据安全和隐私保护成为亟待解决 的问题。
内存管理
负责内存空间的分配、回收和保护等 操作，保证程序的正常运行。
03 中央处理器的技术指标
主频与外频
主频
中央处理器的主频，也称为时钟频率，是指CPU内核工作的 时钟频率。主频越高，CPU处理速度越快。
外频
外频是指CPU与外部元件进行数据交换的速度，通常以MHz （兆赫兹）为单位。外频越高，CPU与外部设备的数据交换 速度越快。
中央处理器的性能优化
01
02
03
指令集优化
针对特定应用领域，设计 更高效的指令集，提高指 令执行速度。
流水线技术
通过流水线技术，将指令 执行过程划分为多个阶段 ，并行处理多个指令，提 高处理器的工作效率。
缓存技术
利用缓存存储常用数据和 指令，减少对内存的访问 延迟，提高数据和指令的 存取速度。
多核处理器的编程模型与优化
计算机组成原理第五章(白中英版)PPT课件
取出CLA指令
算术逻辑单元
ALU
累加器AC
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
+ 1
c
20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 JMP 21
30 000 006 31 40
指令译码器
CLA
c
CLA
c 指令寄存器IR
缓冲寄存器DR
数据总线DBUS
15
2
第5章 中央处理器 计算机组成原理
5.1 CPU的组成和功能 5.2 指令周期 5.3 时序产生器和控制方式 5.4 微程序控制器 5.5 微程序设计技术 5.6 硬布线控制器 5.7 传统CPU
5.8 流水CPU 5.9 RISC CPU 5.10 多媒体CPU 5.11 CPU性能评价
3
5.1 CPU的功能和组成
30 000 006 31 40
CLA
c
CLA
c 指令寄存器IR
缓冲寄存器DR
数据总线DBUS
16
5.2.3 ADD指令的指令周期
一个CPU周期 一个CPU周期 一个CPU周期
取指令 开始 PC+1
执行加 操作
取下条指 令PC+1
对指令 译码
送操作 数地址
取出操 作数
取指令阶段
执行指令阶段
17
取出并执行ADD指令
☼ 第一章 计算机系统概论 ☼ 第二章 运算方法和运算器 ☼ 第三章 存储系统 ☼ 第四章 指令系统 ☼ 第五章 中央处理器 ☼ 第六章 总线系统 ☼ 第七章 外围设备 ☼ 第八章 输入输出系统 ☼ 第九章 并行组织
计算机组成原理课件—中央处理器
(3)CPU中的寄存器
a)用户可见寄存器 ①通用寄存器：可用来存放地址或数据 ②数据寄存器：用于保存数据，一般为通用寄存器，需在指令中明显地给出。 ③地址寄存器：用于保存地址。可以是通用寄存器，此时，需在指令中明显地给
出。也可以是专用寄存器，不需明显给出编号。如：段指针、变址器、基址 器、堆栈指针等。 ④标志(条件码)寄存器：部分可见。值由CPU硬件根据指令执行的结果设定，只 能以隐含方式读出其中的若干位，而不能被程序员(非管理程序)改变。 b)控制和状态寄存器(用户不可使用) ①程序计数器PC ②指令寄存器IR ③存储器地址寄存器MAR ④存储器缓冲(数据)寄存器MBR/MDR ⑤程序状态字寄存器PSWR ⑥其他寄存器：如，进程控制块指针、系统堆栈指针、页表指针等。
(8)微程序定序器的实现
• 有计数器法和下址字段法两种。
(9)中断源的种类：
A. 内中断：CPU内部在执行某条指令时发生 的异常
– 故障：指令执行时异常 – 陷阱：自愿访问管理程序 – 终止：硬件故障
B. 外中断：外设或它机通过中断请求线申请， 与执行指令无关
– 非屏蔽中断 – 可屏蔽中断
流水CPU
(4)指令执行过程
取指、译码、取数、运算、存结果、查中断
– 指令周期：取出并执行一条指令的时间，由若 干个机器周期组成
– 机器周期：完成一次总线操作访问一次主存或 I/O的时间，一个机器周期由多个时钟组成(现 代计算机大多数已经没有机器周期的概念，每 个指令周期直接由若干个时钟周期组成。)
– 时钟周期：CPU中用于操作控制信号同步的信 号。是CPU中最小的时间单位。
(1)CPU的主要功能
• 指令控制（程序的顺序控制） • 操作控制（一条指令有若干操作信号实现） • 时间控制（指令各个操作实施时间的定时） • 数据加工（算术运算和逻辑运Байду номын сангаас）