51_CPU的功能和基本结构-精品文档资料整理.pdf

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1、2020/8/21王道考研/1王道考研组成原理WWW.CSKAOYAN.COM第五章 中央处理器1王道考研/CSKAOYAN.COM现代计算机的结构现代计算机的结构输入设备输出设备运算器控制器主存储器辅助存储器CPU主机I/O设备外设22020/8/21王道考研/2王道考研/CSKAOYAN.COMACCMQ运算器ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果。MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算加加减减乘乘除除ACC被加数、和被减数、差乘积高位被除数、余数MQ乘数、乘积低位

2、商X加数减数被乘数除数ALUX运算器的基本组成运算器的基本组成Multiple-Quotient RegisterAccumulatorArithmetic and Logic Unit运算器：用于实现算术运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如：与或非）3王道考研/CSKAOYAN.COM控制器的基本组成控制器的基本组成CU：控制单元，分析指令，给出控制信号IR：指令寄存器，存放当前执行的指令PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能CU控制单元IRPC控制器取指令分析指令执行指令PCIRCU取指执行完成一条指令Control UnitInstruction RegisterProgra

3、m Counter42020/8/21王道考研/3王道考研/CSKAOYAN.COM计算机的工作过程计算机的工作过程主存主存地址地址指令指令注释注释操作码操作码地址码地址码00000010000000101取数取数a至至ACC10001000000000110乘乘b得得ab ,存于存于ACC中中20000110000000111加加c得得ab+c ,存于存于ACC中中30000100000001000将将ab+c ,存于主存单元存于主存单元40001100000000000停机停机50000000000000010原始数据原始数据a=260000000000000011原始数据原始数据b=37

4、0000000000000001原始数据原始数据c=180000000000000000原始数据原始数据y=0CU?MDRMAR?CPUPC?IR?MQACCALUXI/O123456789初：(PC)=0，指向第一条指令的存储地址#1：(PC)MAR，导致(MAR)=0#3：M(MAR)MDR，导致(MDR)=000001 0000000101#4：(MDR)IR，导致(IR)=000001 0000000101#5：OP(IR)CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是“取数”指令#6：Ad(IR)MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=5#8：M(MAR)MDR，导致(MD

5、R)=0000000000000010=2#9：(MDR)ACC，导致(ACC)=0000000000000010=2取指令（#1#4）分析指令（#5）执行取数指令（#6 #9）PC5王道考研/CSKAOYAN.COM计算机的工作过程计算机的工作过程主存主存地址地址指令指令注释注释操作码操作码地址码地址码00000010000000101取数取数a至至ACC10001000000000110乘乘b得得ab ,存于存于ACC中中20000110000000111加加c得得ab+c ,存于存于ACC中中30000100000001000将将ab+c ,存于主存单元存于主存单元40001100000

6、000000停机停机50000000000000010原始数据原始数据a=260000000000000011原始数据原始数据b=370000000000000001原始数据原始数据c=180000000000000000原始数据原始数据y=0CU?MDRMAR?CPUPC?IR?MQACCALUXI/O123456789上一条指令取指后PC自动+1，(PC)=1；执行后，(ACC)=2#1：(PC)MAR，导致(MAR)=1#3：M(MAR)MDR，导致(MDR)=000100 0000000110 #4：(MDR)IR，导致(IR)= 000100 0000000110#5：OP(IR)C

7、U，指令的操作码送到CU， CU分析后得知，这是“乘法”指令#6：Ad(IR)MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=6#8：M(MAR)MDR，导致(MDR)=0000000000000011=3#9：(MDR)MQ，导致(MQ)=0000000000000011=3#10：(ACC)X，导致(X)=2#11：(MQ)*(X)ACC，由ALU实现乘法运算，导致(ACC)=6，如果乘积太大，则需要MQ辅助存储取指令（#1#4）分析指令（#5）执行乘法指令（#6 #11）11PC1062020/8/21王道考研/4王道考研/CSKAOYAN.COM计算机的工作过程计算机的工作过程主存主存

8、地址地址指令指令注释注释操作码操作码地址码地址码00000010000000101取数取数a至至ACC10001000000000110乘乘b得得ab ,存于存于ACC中中20000110000000111加加c得得ab+c ,存于存于ACC中中30000100000001000将将ab+c ,存于主存单元存于主存单元40001100000000000停机停机50000000000000010原始数据原始数据a=260000000000000011原始数据原始数据b=370000000000000001原始数据原始数据c=180000000000000000原始数据原始数据y=0CU?MDRM

9、AR?CPUPC?IR?MQACCALUXI/O123456789上一条指令取指后(PC)=2，执行后，(ACC)=6#1：(PC)MAR，导致(MAR)=2#3：M(MAR)MDR，导致(MDR)= 000011 0000000111 #4：(MDR)IR，导致(IR)= 000011 0000000111 #5：OP(IR)CU，指令的操作码送到CU， CU分析后得知，这是“加法”指令#6：Ad(IR)MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=7#8：M(MAR)MDR，导致(MDR)=0000000000000001=1#9：(MDR)X，导致(X)=000000000000000

10、1=1#10：(ACC)+(X)ACC，导致(ACC)=7，由ALU实现加法运算取指令（#1#4）分析指令（#5）执行加法指令（#6 #10）10PC7王道考研/CSKAOYAN.COM本章总览本章总览82020/8/21王道考研/5本节内容王道考研/CSKAOYAN.COM中央处理器CPU的功能和基本结构9王道考研/CSKAOYAN.COMCPU的功能的功能1.指令控制指令控制。完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制。2.操作控制操作控制。一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。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

11、些部件按指令的要求进行动作。3.时间控制时间控制。对各种操作加以时间上的控制。时间控制要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。4.数据加工数据加工。对数据进行算术和逻辑运算。5.中断处理中断处理。对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理。运算器控制器CPU102020/8/21王道考研/6王道考研/CSKAOYAN.COM运算器和控制器的功能运算器和控制器的功能运算器控制器CPU协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，基本功能包括取指令、分析指令、执行指令对数据进行加工取指令：自动形成指令地址；自动发出取指令的命令。分析指令：操作码译码(分析本条指令要完成什么操作)；产生操作数的

12、有效地址。执行指令：根据分析指令得到的“操作命令”和“操作数地址”，形成操作信号控制序列，控制运算器、存储器以及I/O设备完成相应的操作。中断处理：管理总线及输入输出；处理异常情况(如掉电)和特殊请求(如打印机请求打印一行字符)。11王道考研/CSKAOYAN.COM运算器的基本结构运算器的基本结构1. 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。2. 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。R!RR#R$SPDHCHBHAHDLCLBLAL专用数据通路方式：根据指令执行过程中的数

13、据和地址的流动方向安排连接线路。ALUAB.122020/8/21王道考研/7王道考研/CSKAOYAN.COM运算器的基本结构运算器的基本结构1. 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。2. 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。R!RR#R$ALUAB专用数据通路方式：根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路。如果直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据解决方法1. 使用多路选择器.13王道考研/CSKAOYAN.COM运算器的基本结构运

14、算器的基本结构1. 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。2. 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。R!RR#R$ALUAB专用数据通路方式：根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路。如果直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据解决方法1. 使用多路选择器根据控制信号选择一路输出MUXMUXC#C0001解决方法2. 使用三态门可以控制每一路是否输出.142020/8/21王道考研/8王道考研/CSKAOYAN.COM运算器的基本结构运算器

15、的基本结构1. 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。2. 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。R!RR#R$ALUAB专用数据通路方式：根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路。如果直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据解决方法1. 使用多路选择器根据控制信号选择一路输出解决方法2. 使用三态门可以控制每一路是否输出R0out如：R0out为1时R$中的数据输出到A端，R0out为0时R$中的数据无法输出到A端性能较高，基本不存在数据冲

16、突现象，但结构复杂，硬件量大，不易实现。CPU内部单总线方式：将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上。.15王道考研/CSKAOYAN.COM运算器的基本结构运算器的基本结构1. 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。2. 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。3. 暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。CPU内部单总线方式：将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上。R!RR#R$R0inR1i

17、nR2inR3inR0outR1outR2outR3out结构简单，容易实现，但数据传输存在较多冲突的现象，性能较低。ALUAB.暂存寄存器如：两个操作数分别来自主存和R$，最后结果存回R$，那么从主存中取来的操作数直接放入暂存器，就不会破坏运算前R$的内容。162020/8/21王道考研/9王道考研/CSKAOYAN.COM运算器的基本结构运算器的基本结构1. 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。2. 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。3. 暂存寄存器：用于暂存从主

18、存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。CPU内部总线R!RR#R$R0inR1inR2inR3inR0outR1outR2outR3out结构简单，容易实现，但数据传输存在较多冲突的现象，性能较低。ALUAB.暂存寄存器如：两个操作数分别来自主存和R$，最后结果存回R$，那么从主存中取来的操作数直接放入暂存器，就不会破坏运算前R$的内容。暂存寄存器增加一些功能移位寄存器累加寄存器17ACCout王道考研/CSKAOYAN.COM运算器的基本结构运算器的基本结构1. 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。2. 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用

19、于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。3. 暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。4. 累加寄存器：它是一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果信息，用于实现加法运算。5. 程序状态字寄存器：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，如溢出标志（OP）、符号标志（SF）、零标志（ZF）、进位标志（CF）等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成。6. 移位器：对运算结果进行移位运算。7. 计数器：控制乘除运算的操作步数。CPU内部总线R!RR#R$R0i

20、nR1inR2inR3inR0outR1outR2outR3out结构简单，容易实现，但数据传输存在较多冲突的现象，性能较低。ALUAB.暂存寄存器暂存寄存器ACCACCinPSW移位寄存器182020/8/21王道考研/10王道考研/CSKAOYAN.COM控制器的基本结构控制器的基本结构CPU内部总线R!RR#R$R0inR1inR2inR3inR0outR1outR2outR3outALUAB.暂存寄存器暂存寄存器ACCACCinACCoutPSW移位寄存器1. 程序计数器：用于指出下一条指令在主存中的存放地址。CPU就是根据PC的内容去主存中取指令的。因程序中指令（通常）是顺序执行的，

21、所以PC有自增功能。2. 指令寄存器：用于保存当前正在执行的那条指令。3. 指令译码器：仅对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号。4. 微操作信号发生器：根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。5.时序系统：用于产生各种时序信号，它们都是由统一时钟（CLOCK）分频得到。6. 存储器地址寄存器：用于存放所要访问的主存单元的地址。7. 存储器数据寄存器：用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息。PCoutPCinPC+1IRinOPIRAdAdIRout指令译码器ID.微操作信号发生器

22、时序系统.标志来自PSWMARMARin地址总线MDRoutMDRMDRin数据总线MDRinEMDRoutE19王道考研/CSKAOYAN.COMCPU的基本结构的基本结构CPU内部总线R!RR#R$R0inR1inR2inR3inR0outR1outR2outR3outALUAB.暂存寄存器暂存寄存器ACCACCinACCoutPSW移位寄存器PCoutPCinPC+1IRinOPIRAdAdIRout指令译码器ID.微操作信号发生器时序系统.标志来自PSWMARMARin地址总线MDRoutMDRMDRinMDRinE数据总线MDRoutE用户可见的寄存器(可编程)202020/8/21

23、王道考研/11王道考研/CSKAOYAN.COMCPU的基本结构的基本结构CPU内部总线R!RR#R$R0inR1inR2inR3inR0outR1outR2outR3outALUAB.暂存寄存器暂存寄存器ACCACCinACCoutPSW移位寄存器PCoutPCinPC+1IRinOPIRAdAdIRout指令译码器ID.微操作信号发生器时序系统.标志来自PSWMARMARin地址总线MDRoutMDRMDRinMDRinE数据总线MDRoutE用户可见的寄存器(可编程)ALUCU寄存器中断系统21王道考研/CSKAOYAN.COMCPU的基本结构的基本结构CPUALUCU寄存器中断系统222020/8/21王道考研/12王道考研/CSKAOYAN.COM本节回顾本节回顾23