(1.6)--6计算机组成原理.ppt

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1、1上节回顾第第5章章 指令系指令系统5.5 5.5 指令指令指令指令类类型型型型 指令的分指令的分指令的分指令的分类类及功能及功能及功能及功能 双字双字双字双字长长介介介介绍绍5.6 5.6 指令系指令系指令系指令系统统的兼容性的兼容性的兼容性的兼容性5.7 5.7 精精精精简简指令系指令系指令系指令系统计统计算机（算机（算机（算机（RISCRISC）和复）和复）和复）和复杂杂指指指指令系令系令系令系统统（CISCCISC）产产生与生与生与生与发发展；特点展；特点展；特点展；特点5.8 5.8 指令系指令系指令系指令系统举统举例例例例2第6章 中央处理部件CPU计算机硬件由控制器、运算器、存算

2、机硬件由控制器、运算器、存储器、器、输入入设备、输出出设备等五部分等五部分组成。成。随着集成随着集成电路的出路的出现及集成度的提高、生及集成度的提高、生产工工艺的的发展，展，设计者将控制器和运算器者将控制器和运算器集成在一片集成集成在一片集成电路上，路上，该芯片称之芯片称之为中中央央处理器理器（Central Processing Unit），），简称称处理器或理器或CPU。当前，微当前，微处理器芯片已从理器芯片已从16位，位，32位位发展展到到64位位结构。构。3中央处理部件CPUCPUCPUCPUCPU是是是是电脑电脑的心的心的心的心脏脏，一台，一台，一台，一台电脑电脑所使用的所使用的所使

3、用的所使用的CPUCPUCPUCPU基本决基本决基本决基本决定了定了定了定了这这台台台台电脑电脑的性能和档次。的性能和档次。的性能和档次。的性能和档次。计计算机中算机中算机中算机中90%90%90%90%以上的数据信息都是由以上的数据信息都是由以上的数据信息都是由以上的数据信息都是由CPUCPUCPUCPU来完成。来完成。来完成。来完成。CPUCPUCPUCPU的的的的工作速度快慢直接影响到整部工作速度快慢直接影响到整部工作速度快慢直接影响到整部工作速度快慢直接影响到整部电脑电脑的运行的运行的运行的运行速度速度速度速度。CPUCPUCPUCPU集成上万个晶体管，可分集成上万个晶体管，可分集成上

4、万个晶体管，可分集成上万个晶体管，可分为为三大部分：三大部分：三大部分：三大部分：控制控制控制控制单单元元元元（Control UnitControl UnitControl UnitControl Unit；CUCUCUCU）逻辑单逻辑单元元元元（Arithmetic Logic UnitArithmetic Logic UnitArithmetic Logic UnitArithmetic Logic Unit；ALUALUALUALU）存存存存储单储单元元元元（Memory UnitMemory UnitMemory UnitMemory Unit；MUMUMUMU）4中央处理部件CPU

5、CPUCPU内部内部内部内部组织组织框框框框图图：内部内部内部内部CPUCPU总线总线：internal CPU businternal CPU bus寄存器寄存器寄存器寄存器组组：用：用：用：用户户可可可可见见寄存器，控制寄存器，控制寄存器，控制寄存器，控制/状状状状态态寄存器寄存器寄存器寄存器5中央处理部件CPU计算机算机进行信息行信息处理的理的过程分程分为两个步两个步骤：将数据和程序将数据和程序将数据和程序将数据和程序输输入入入入计计算机存算机存算机存算机存储储器中；器中；器中；器中；从从从从“程序入口程序入口程序入口程序入口”开始开始开始开始执执行行行行该该程序程序程序程序，得到所需要

6、，得到所需要，得到所需要，得到所需要的的的的结结果后，果后，果后，果后，结结束运行。束运行。束运行。束运行。“程序入口程序入口”指的是指的是该程序开始程序开始执行的第行的第一条指令的地址，控制器的作用是一条指令的地址，控制器的作用是协调并并控制控制计算机的各个部件算机的各个部件执行程序的指令序行程序的指令序列。列。6中央处理部件CPU当当当当机器机器机器机器刚刚加加加加电时电时，假如不采取措施，那么随机存，假如不采取措施，那么随机存，假如不采取措施，那么随机存，假如不采取措施，那么随机存取存取存取存取存储储器（器（器（器（RAMRAM）以及寄存器的状）以及寄存器的状）以及寄存器的状）以及寄存器

7、的状态态将将将将处处于随于随于随于随机状机状机状机状态态，可能会，可能会，可能会，可能会执执行一些不行一些不行一些不行一些不该执该执行的操作。行的操作。行的操作。行的操作。为为保保保保证证正常工作，在机器内一般正常工作，在机器内一般正常工作，在机器内一般正常工作，在机器内一般设设置有存放置有存放置有存放置有存放固定固定固定固定程序的只程序的只程序的只程序的只读读存存存存储储器（器（器（器（ROMROM），利用加，利用加，利用加，利用加电时电时硬件硬件硬件硬件产产生的一个复位（生的一个复位（生的一个复位（生的一个复位（resetreset）信号使得）信号使得）信号使得）信号使得计计算机算机算机算

8、机处处于于于于初始状初始状初始状初始状态态，并从上述固定程序入口开始运行；，并从上述固定程序入口开始运行；，并从上述固定程序入口开始运行；，并从上述固定程序入口开始运行；计计算机从程序入口地址开始算机从程序入口地址开始算机从程序入口地址开始算机从程序入口地址开始执执行程序的指令序列行程序的指令序列行程序的指令序列行程序的指令序列是不断地取指令、分析指令和是不断地取指令、分析指令和是不断地取指令、分析指令和是不断地取指令、分析指令和执执行指令行指令行指令行指令这样这样一个一个一个一个周而复始的周而复始的周而复始的周而复始的过过程。程。程。程。7中央处理部件CPU当前正在当前正在执行的指令地址存放

9、在控制器的行的指令地址存放在控制器的程序程序计数器（数器（PC）中；）中；机器加机器加电时利用利用reset信号将开机后信号将开机后执行的行的第一条指令的地址，也就是程序入口地址第一条指令的地址，也就是程序入口地址（例如全（例如全“0”）置于程序）置于程序计数器数器PC中。中。也可以直接在指令寄存器中置入一条无条也可以直接在指令寄存器中置入一条无条件件转移指令（移指令（转移到固定程序入口），然移到固定程序入口），然后开始后开始执行程序。行程序。8第6章 中央处理部件CPU6.1 6.1 计计算机的硬件系算机的硬件系算机的硬件系算机的硬件系统统6.2 6.2 控制器的控制器的控制器的控制器的组组

10、成成成成6.3 6.3 微程序控制微程序控制微程序控制微程序控制计计算机的基本工作原理算机的基本工作原理算机的基本工作原理算机的基本工作原理6.4 6.4 微程序微程序微程序微程序设计设计技技技技术术6.5 6.5 硬布硬布硬布硬布线线控制的控制的控制的控制的计计算机算机算机算机6.6 6.6 控制器的控制方式控制器的控制方式控制器的控制方式控制器的控制方式6.7 6.7 流水流水流水流水线线工作原理工作原理工作原理工作原理6.8 CPU6.8 CPU举举例例例例6.9 6.9 计计算机的加算机的加算机的加算机的加电电及控制及控制及控制及控制过过程程程程96.1 计算机的硬件系统计算机的算机的

11、CPU由下述两种方法由下述两种方法实现：1.1.采用半采用半采用半采用半导导体公司（工厂）生体公司（工厂）生体公司（工厂）生体公司（工厂）生产产的微的微的微的微处处理器构理器构理器构理器构成通用的或成通用的或成通用的或成通用的或专专用的用的用的用的计计算机系算机系算机系算机系统统以及工作站等以及工作站等以及工作站等以及工作站等。当前微当前微当前微当前微处处理器芯片已从理器芯片已从理器芯片已从理器芯片已从1616位，位，位，位，3232位位位位发发展到展到展到展到6464位位位位结结构。构。构。构。2.2.一些一些一些一些计计算机公司算机公司算机公司算机公司采用自行采用自行采用自行采用自行设计设

12、计制造的芯片来制造的芯片来制造的芯片来制造的芯片来构成大、中、小型构成大、中、小型构成大、中、小型构成大、中、小型计计算机的算机的算机的算机的CPUCPU。例如，。例如，。例如，。例如，IBMIBM公司和公司和公司和公司和DECDEC公司就是公司就是公司就是公司就是这样这样做的。随着用做的。随着用做的。随着用做的。随着用户对户对开放系开放系开放系开放系统兴统兴趣的增趣的增趣的增趣的增长长，这这两家公司也逐步走两家公司也逐步走两家公司也逐步走两家公司也逐步走向开放。例如向开放。例如向开放。例如向开放。例如IBMIBM公司也公司也公司也公司也选选用用用用IntelIntel的的的的CPUCPU芯芯

13、芯芯片构成微机。片构成微机。片构成微机。片构成微机。106.1 计算机的硬件系统Intel 80386微机系微机系统（32位微位微处理器）理器）Reset中断设备中断设备CLKCLK2BUS协处理器协处理器116.1 计算机的硬件系统各个部件的主要功能各个部件的主要功能如下：如下：1.80386微微处理器。理器。是系是系是系是系统统中主要的中主要的中主要的中主要的处处理、控制部件理、控制部件理、控制部件理、控制部件，从存，从存，从存，从存储储器中器中器中器中取出的指令主要在取出的指令主要在取出的指令主要在取出的指令主要在8038680386中中中中处处理。理。理。理。2.80384时钟发生器生

14、器。机器加机器加机器加机器加电时电时，首先由它，首先由它，首先由它，首先由它产产生整机复位信号生整机复位信号生整机复位信号生整机复位信号（resetreset），使，使，使，使计计算机各个部件算机各个部件算机各个部件算机各个部件处处于初始状于初始状于初始状于初始状态态（resetreset作用作用作用作用时时封封封封锁计锁计算机一切其他算机一切其他算机一切其他算机一切其他动动作）作）作）作）这样这样可防止加可防止加可防止加可防止加电时电时，由于寄存器，由于寄存器，由于寄存器，由于寄存器处处于于于于“不定不定不定不定”状状状状态态而引起而引起而引起而引起计计算机的不可算机的不可算机的不可算机的不

15、可预预估的操作。估的操作。估的操作。估的操作。126.1 计算机的硬件系统3.80387协处理器。理器。扩扩充了充了充了充了8038680386指令系指令系指令系指令系统统，主要完成，主要完成，主要完成，主要完成浮点运算浮点运算浮点运算浮点运算和和和和高精度整数运算高精度整数运算高精度整数运算高精度整数运算。8038680386自自自自动动将取得的将取得的将取得的将取得的协处协处理器指令理器指令理器指令理器指令传传送送送送给给8038780387。8038780387的数据的数据的数据的数据线为线为3232位。位。位。位。4.总线控制控制逻辑。8038680386通通通通过总线过总线与存与存与

16、存与存储储器、器、器、器、I IOO设备设备交交交交换换信息信息信息信息。136.1 计算机的硬件系统6.存存储器与器与输入入输出系出系统。存放数据、指令存放数据、指令存放数据、指令存放数据、指令以及完成以及完成以及完成以及完成输输入入入入输输出操作的系出操作的系出操作的系出操作的系统统。7.DMA控制器控制器。DMADMA为为“直接存直接存直接存直接存储储器存取器存取器存取器存取”的的的的缩缩写写写写，是控制，是控制，是控制，是控制I/OI/O设备设备与存与存与存与存储储器直接器直接器直接器直接传传送信息（数据）的送信息（数据）的送信息（数据）的送信息（数据）的逻逻辑电辑电路。路。路。路。在

17、一般情况下，数据是成在一般情况下，数据是成在一般情况下，数据是成在一般情况下，数据是成组传组传送的，且不影响送的，且不影响送的，且不影响送的，且不影响当前程序的当前程序的当前程序的当前程序的执执行。行。行。行。146.1 计算机的硬件系统7.中断控制器中断控制器。中断控制器中断控制器中断控制器中断控制器主要用于主要用于主要用于主要用于传传送一个数据或机器送一个数据或机器送一个数据或机器送一个数据或机器发发生生生生故障故障故障故障时进时进行行行行处处理。理。理。理。一些一些一些一些速度比磁速度比磁速度比磁速度比磁盘盘存存存存储储器慢得多的器慢得多的器慢得多的器慢得多的I IOO设备设备，当它当它

18、当它当它们们准准准准备备好数据好数据好数据好数据时时（假（假（假（假设为输设为输入），向入），向入），向入），向CPUCPU发发出一个称之出一个称之出一个称之出一个称之为为“中断中断中断中断请请求求求求”信号信号信号信号，当，当，当，当CPUCPU接受接受接受接受请请求求求求时时，中止当前正在运行的程序，中止当前正在运行的程序，中止当前正在运行的程序，中止当前正在运行的程序，转转到到到到“中断中断中断中断处处理程序理程序理程序理程序”，对对数据数据数据数据进进行行行行处处理，理，理，理，并存入存并存入存并存入存并存入存储储器，然后再从器，然后再从器，然后再从器，然后再从“中断中断中断中断处处理

19、程序理程序理程序理程序”返回到原程序的中止点，返回到原程序的中止点，返回到原程序的中止点，返回到原程序的中止点，继续执继续执行原程序。行原程序。行原程序。行原程序。这这种工作方式称种工作方式称种工作方式称种工作方式称为为程序中断方式程序中断方式程序中断方式程序中断方式。156.1 计算机的硬件系统8.“准准备好好”（ready）逻辑。当当当当8038680386与存与存与存与存储储器交器交器交器交换换数据（数据（数据（数据（读读或写）或写）或写）或写）时时，由，由，由，由于双方速度不一致（存于双方速度不一致（存于双方速度不一致（存于双方速度不一致（存储储器器器器较较慢），有慢），有慢），有慢）

20、，有时时8038680386需要等待。需要等待。需要等待。需要等待。readyready信号是由存信号是由存信号是由存信号是由存储储器器器器发发向向向向8038680386的，表示在的，表示在的，表示在的，表示在此之前由此之前由此之前由此之前由8038680386发发向存向存向存向存储储器的器的器的器的读读写命令已完写命令已完写命令已完写命令已完成，此成，此成，此成，此时时8038680386不必等待不必等待不必等待不必等待（若已（若已（若已（若已处处于等待状于等待状于等待状于等待状态态则结则结束等待），可束等待），可束等待），可束等待），可继续执继续执行下面的操作。行下面的操作。行下面的操作

21、。行下面的操作。166.1 计算机的硬件系统Intel 80386包括：包括：指令部件：指令部件：指令部件：指令部件：完成取指及指令完成取指及指令完成取指及指令完成取指及指令译码译码功能，并功能，并功能，并功能，并产产生控制信号；生控制信号；生控制信号；生控制信号；执执行部件：行部件：行部件：行部件：包括包括包括包括ALUALU、乘法部件、寄存器、乘法部件、寄存器、乘法部件、寄存器、乘法部件、寄存器组组等；等；等；等；存存存存储储管理部件：管理部件：管理部件：管理部件：用来确定存用来确定存用来确定存用来确定存储储器地址。器地址。器地址。器地址。176.1 计算机的硬件系统8038680386结

22、结构及外部构及外部构及外部构及外部连线连线D0-D31数据总线数据总线CLK2ADS#NA#BS16#READY#HOLDHLDAINTRNMIRESET控制总线控制总线总线仲裁总线仲裁中断中断A2-A31地址总线地址总线BE3#BE2#BE1#BE0#W/R#D/C#M/IO#LOCK#PEREQBUSY#ERROR#VccGND字节字节使能使能32位位地址地址总线周总线周期定义期定义协处理协处理器信号器信号电源电源i80386时钟时钟186.1 计算机的硬件系统各个信号的功能解各个信号的功能解释如下：如下：1.D0D31：3232位位位位数据数据数据数据总线总线，是，是，是，是传传送数据的

23、双向送数据的双向送数据的双向送数据的双向总线总线。2.A2A31，BE0BE3：A0A0A31A31是是是是3232位位位位地址地址地址地址线线，其中，其中，其中，其中A0A0，A1A1在在在在8038680386内部内部内部内部转换转换成成成成“字字字字节节使能使能使能使能”信号信号信号信号BE0BE0BE3BE3，分，分，分，分别别是是是是字字字字节节0 0字字字字节节3 3的的的的选择选择信号信号信号信号，符号符号符号符号表示低表示低表示低表示低电电位有效位有效位有效位有效。3.CLK2：输入到入到80386的的时钟。4.reset：总清或复位信号。清或复位信号。196.1 计算机的硬件

24、系统5.WR、DC、MIO、LOCK：是是总线周期定周期定义信号。信号。WWR R：区分写区分写区分写区分写/读读周期；周期；周期；周期；D DC C：表示是数据周期表示是数据周期表示是数据周期表示是数据周期还还是控制（取指）是控制（取指）是控制（取指）是控制（取指）周期；周期；周期；周期；MMIOIO：表示是表示是表示是表示是访问访问存存存存储储器器器器还还是是是是I/OI/O设备设备；LOCKLOCK：总线锁总线锁定信号，当它定信号，当它定信号，当它定信号，当它为为低低低低电电平平平平时时，不允不允不允不允许许芯片外部的信号打断当前芯片外部的信号打断当前芯片外部的信号打断当前芯片外部的信号

25、打断当前总线总线周期的周期的周期的周期的操作，即操作，即操作，即操作，即CPUCPU不允不允不允不允许让许让出出出出总线总线控制控制控制控制权权。206.1 计算机的硬件系统6.ADSADS、NANA、BS16BS16、ReadyReady：是：是：是：是总线总线控制信号。控制信号。控制信号。控制信号。ADSADS：地址状地址状地址状地址状态态信号，低信号，低信号，低信号，低电电平开始平开始平开始平开始总线总线周期周期周期周期进进行行行行读读写，完成指定的操作后写，完成指定的操作后写，完成指定的操作后写，完成指定的操作后发发出出出出ReadyReady信号，信号，信号，信号，803868038

26、6检检测测到到到到ReadyReady信号，信号，信号，信号，结结束本次周期；束本次周期；束本次周期；束本次周期；NANA：由存由存由存由存储储器或器或器或器或I/OI/O送到送到送到送到8038680386的信号，表示本次的信号，表示本次的信号，表示本次的信号，表示本次读读/写操作写操作写操作写操作虽虽未完成，但已允未完成，但已允未完成，但已允未完成，但已允许许8038680386送出下一送出下一送出下一送出下一读读/写写写写周期的地址及控制信号，周期的地址及控制信号，周期的地址及控制信号，周期的地址及控制信号，这样这样可使两次可使两次可使两次可使两次读读/写写写写过过程的部程的部程的部程的

27、部分操作重叠分操作重叠分操作重叠分操作重叠进进行，以行，以行，以行，以缩缩短一条指令的短一条指令的短一条指令的短一条指令的执执行行行行时间时间。BS16BS16：由存由存由存由存储储器或器或器或器或I/OI/O送到送到送到送到8038680386的信号，表示被的信号，表示被的信号，表示被的信号，表示被访问访问的存的存的存的存储储器或器或器或器或I/OI/O的数据的数据的数据的数据传传送送送送宽宽度度度度为为1616位。因此可位。因此可位。因此可位。因此可以与以与以与以与1616位机兼容。位机兼容。位机兼容。位机兼容。216.1 计算机的硬件系统7.HOLDHOLD和和和和HLDAHLDA：为总

28、线为总线仲裁信号。仲裁信号。仲裁信号。仲裁信号。主主主主设备设备与从与从与从与从设备设备：CPUCPU访问访问存存存存储储器或器或器或器或I/OI/O设备时设备时，由，由，由，由CPUCPU控制控制控制控制总线总线，此，此，此，此时时CPUCPU为为主主主主设备设备，存，存，存，存储储器或器或器或器或I/OI/O设设备为备为从从从从设备设备。有。有。有。有时时I/OI/O设备设备需要需要需要需要输输入数据到存入数据到存入数据到存入数据到存储储器，器，器，器，或接收从存或接收从存或接收从存或接收从存储储器送来的数据，此器送来的数据，此器送来的数据，此器送来的数据，此时时I/OI/O设备设备控制控

29、制控制控制总线总线，是主是主是主是主设备设备，存，存，存，存储储器器器器为为从从从从设备设备。计计算机系算机系算机系算机系统统可以具有若可以具有若可以具有若可以具有若干个主干个主干个主干个主设备设备，若干个从，若干个从，若干个从，若干个从设备设备。当当当当总线总线上某台上某台上某台上某台I/OI/O设备设备作作作作为为主主主主设备请设备请求求求求传传送数据，送数据，送数据，送数据，这时这时该该I/OI/O设备设备就就就就发发出出出出占用占用占用占用总线请总线请求（求（求（求（HOLDHOLD），当，当，当，当处处理器理器理器理器允允允允许释许释放放放放总线时总线时，就，就，就，就发发出出出出应

30、应答信号答信号答信号答信号HLDAHLDA，并放弃，并放弃，并放弃，并放弃总总线线控制控制控制控制权权，从而使，从而使，从而使，从而使请请求求求求总线总线控制控制控制控制权权的的的的设备设备可以占用它可以占用它可以占用它可以占用它们们。226.1 计算机的硬件系统8.INTRINTR和和和和NMINMI：中断中断中断中断请请求信号和不可屏蔽中断求信号和不可屏蔽中断求信号和不可屏蔽中断求信号和不可屏蔽中断请请求信号。求信号。求信号。求信号。9.PEREQPEREQ，BUSY#BUSY#，ERRORERROR：协处协处理器接口信理器接口信理器接口信理器接口信号号号号PEREQPEREQ：为协处为协

31、处理器理器理器理器请请求信号，表示求信号，表示求信号，表示求信号，表示协处协处理器要求理器要求理器要求理器要求8038680386在存在存在存在存储储器与器与器与器与协处协处理器之理器之理器之理器之间传递间传递一个操作数。一个操作数。一个操作数。一个操作数。BUSYBUSY：为协处为协处理器忙信号。表示理器忙信号。表示理器忙信号。表示理器忙信号。表示协处协处理器正在理器正在理器正在理器正在执执行一条指令，此行一条指令，此行一条指令，此行一条指令，此时时不能再接收另一条指令。不能再接收另一条指令。不能再接收另一条指令。不能再接收另一条指令。ERRORERROR：为协处为协处理器出理器出理器出理器

32、出错错信号，表示信号，表示信号，表示信号，表示协处协处理器在理器在理器在理器在执执行指令行指令行指令行指令过过程中程中程中程中产产生了某种差生了某种差生了某种差生了某种差错错。23第6章 中央处理部件CPU6.1 6.1 计计算机的硬件系算机的硬件系算机的硬件系算机的硬件系统统6.2 6.2 控制器的控制器的控制器的控制器的组组成成成成6.3 6.3 微程序控制微程序控制微程序控制微程序控制计计算机的基本工作原理算机的基本工作原理算机的基本工作原理算机的基本工作原理6.4 6.4 微程序微程序微程序微程序设计设计技技技技术术6.5 6.5 硬布硬布硬布硬布线线控制的控制的控制的控制的计计算机算

33、机算机算机6.6 6.6 控制器的控制方式控制器的控制方式控制器的控制方式控制器的控制方式6.7 6.7 流水流水流水流水线线工作原理工作原理工作原理工作原理6.8 CPU6.8 CPU举举例例例例6.9 6.9 计计算机的加算机的加算机的加算机的加电电及控制及控制及控制及控制过过程程程程246.2 控制器的组成6.2.1 控制器的功能控制器的功能6.2.2 控制器的控制器的组成成6.2.3 指令指令执行行过程程256.2.1 控制器的功能当用当用计算机解决某个算机解决某个问题时，我，我们首先必首先必须为它它编写程序。写程序。程序是一个指令序列程序是一个指令序列，这个序列明确告个序列明确告诉计

34、算机算机应该执行什么操作，在什么地方找行什么操作，在什么地方找到用来操作的数据。到用来操作的数据。一旦把程序装入内存一旦把程序装入内存储器，就可以由器，就可以由计算算机来自机来自动完成完成取出指令取出指令和和执行指行指令令的任的任务。中央中央处理器理器就是就是专门用来完成此用来完成此项工作的工作的计算机部件。算机部件。266.2.1 控制器的功能CPU对整个整个计算机系算机系统的运行是极其重要的运行是极其重要的，它具有如下的，它具有如下四方面的基本功能四方面的基本功能：1.1.指令控制指令控制指令控制指令控制2.2.操作控制操作控制操作控制操作控制3.3.时间时间控制控制控制控制4.4.数据加

35、工数据加工数据加工数据加工276.2.1 控制器的功能1.指令控制：指令控制：程序的程序的程序的程序的顺顺序控制序控制序控制序控制称称称称为为指令控制。指令控制。指令控制。指令控制。由于程序是一个指令序列，由于程序是一个指令序列，由于程序是一个指令序列，由于程序是一个指令序列，这这些指令的相互些指令的相互些指令的相互些指令的相互顺顺序不能任意序不能任意序不能任意序不能任意颠颠倒，必倒，必倒，必倒，必须严须严格按程序格按程序格按程序格按程序规规定的定的定的定的顺顺序序序序进进行。行。行。行。因此，因此，因此，因此，保保保保证证机器按机器按机器按机器按顺顺序序序序执执行程序是行程序是行程序是行程序

36、是CPUCPU的首的首的首的首要任要任要任要任务务。286.2.1 控制器的功能2.操作控制：操作控制：一条指令的功能往往是由若干个一条指令的功能往往是由若干个一条指令的功能往往是由若干个一条指令的功能往往是由若干个操作信号的操作信号的操作信号的操作信号的组组合合合合来来来来实现实现的。的。的。的。因此，因此，因此，因此，CPUCPU管理并管理并管理并管理并产产生由内存取出的每条指生由内存取出的每条指生由内存取出的每条指生由内存取出的每条指令的操作信号，令的操作信号，令的操作信号，令的操作信号，把各种操作信号送往相把各种操作信号送往相把各种操作信号送往相把各种操作信号送往相应应的的的的部件部件

37、部件部件，从而控制，从而控制，从而控制，从而控制这这些部件按指令的要求些部件按指令的要求些部件按指令的要求些部件按指令的要求进进行行行行动动作。作。作。作。296.2.1 控制器的功能3.时间控制：控制：对对各种操作各种操作各种操作各种操作实实施施施施时间时间上的定上的定上的定上的定时时称称称称为时间为时间控制。控制。控制。控制。在在在在计计算机中，算机中，算机中，算机中，各种指令的操作信号各种指令的操作信号各种指令的操作信号各种指令的操作信号以及以及以及以及一条指一条指一条指一条指令的整个令的整个令的整个令的整个执执行行行行过过程程程程都受到都受到都受到都受到时间时间的的的的严严格定格定格定

38、格定时时。只有只有只有只有这样这样，计计算机才能有条不紊地自算机才能有条不紊地自算机才能有条不紊地自算机才能有条不紊地自动动工作。工作。工作。工作。只有只有只有只有严严格的格的格的格的时间时间控制，才能控制，才能控制，才能控制，才能保保保保证证各功能部件各功能部件各功能部件各功能部件组组合构成有机的合构成有机的合构成有机的合构成有机的计计算机系算机系算机系算机系统统。306.2.1 控制器的功能4.数据加工：数据加工：数据加工就是数据加工就是数据加工就是数据加工就是对对数据数据数据数据进进行算行算行算行算术术运算和运算和运算和运算和逻辑逻辑运算运算运算运算处处理理理理。完成数据的加工完成数据的

39、加工完成数据的加工完成数据的加工处处理是理是理是理是CPUCPU的根本任的根本任的根本任的根本任务务，因，因，因，因为为，原始信息只有，原始信息只有，原始信息只有，原始信息只有经过经过加工加工加工加工处处理后才能理后才能理后才能理后才能对对人人人人们们有用。有用。有用。有用。316.2.1 控制器的功能控制器的作用是控制程序的控制器的作用是控制程序的执行行，它必，它必须具有以下三种基本操作：具有以下三种基本操作：1.1.取指令取指令取指令取指令2.2.分析指令分析指令分析指令分析指令3.3.执执行指令行指令行指令行指令326.2.1 控制器的功能1.取指令取指令取指令取指令当程序已在存当程序已

40、在存当程序已在存当程序已在存储储器中器中器中器中时时，首先，首先，首先，首先根据程序入口取出第一根据程序入口取出第一根据程序入口取出第一根据程序入口取出第一条指令条指令条指令条指令，为为此要此要此要此要发发出指令地址及控制信号。出指令地址及控制信号。出指令地址及控制信号。出指令地址及控制信号。然后不断取出第然后不断取出第然后不断取出第然后不断取出第2 2，3 3，条指令。条指令。条指令。条指令。2.分析指令分析指令分析指令分析指令或叫或叫或叫或叫解解解解释释指令、指令指令、指令指令、指令指令、指令译码译码等。等。等。等。是是是是对对当前取得的指令当前取得的指令当前取得的指令当前取得的指令进进行

41、分析，指出它要求作什么操行分析，指出它要求作什么操行分析，指出它要求作什么操行分析，指出它要求作什么操作，并作，并作，并作，并产产生相生相生相生相应应的操作控制命令的操作控制命令的操作控制命令的操作控制命令。如果参与操作的数据在存如果参与操作的数据在存如果参与操作的数据在存如果参与操作的数据在存储储器中，器中，器中，器中，还还需要需要需要需要形成操作数形成操作数形成操作数形成操作数地址（地址（地址（地址（寻寻址）址）址）址）。336.2.1 控制器的功能3.执执行指令行指令行指令行指令根据分析指令根据分析指令根据分析指令根据分析指令时产时产生的生的生的生的“操作命令操作命令操作命令操作命令”和

42、和和和“操作数地址操作数地址操作数地址操作数地址”形成相形成相形成相形成相应应的操作控制信号序列的操作控制信号序列的操作控制信号序列的操作控制信号序列；通通通通过过CPUCPU及及及及输输入入入入输输出出出出设备设备的的的的执执行，行，行，行，实现实现每条指令的功每条指令的功每条指令的功每条指令的功能能能能，其中，其中，其中，其中还还包括包括包括包括对对运算运算运算运算结结果的果的果的果的处处理以及下条指令地址理以及下条指令地址理以及下条指令地址理以及下条指令地址的形成的形成的形成的形成。4.控制程序和数据的控制程序和数据的控制程序和数据的控制程序和数据的输输入与入与入与入与结结果果果果输输出

43、出出出根据程序的安排或人的干根据程序的安排或人的干根据程序的安排或人的干根据程序的安排或人的干预预，在适当的在适当的在适当的在适当的时时候向候向候向候向输输入入入入输输出出出出设备发设备发出一些相出一些相出一些相出一些相应应的命令来完成的命令来完成的命令来完成的命令来完成I/OI/O功能功能功能功能，这实际这实际上也是通上也是通上也是通上也是通过执过执行程序来完成的。行程序来完成的。行程序来完成的。行程序来完成的。346.2.1 控制器的功能5.对异常情况和某些异常情况和某些请求的求的处理理当机器出当机器出当机器出当机器出现现某些异常情况某些异常情况某些异常情况某些异常情况，可以，可以，可以，

44、可以发发出：出：出：出：1.1.“中断中断中断中断请请求求求求”信号信号信号信号。待。待。待。待CPUCPU执执行完当前指令后，响行完当前指令后，响行完当前指令后，响行完当前指令后，响应应该请该请求，中止当前求，中止当前求，中止当前求，中止当前执执行的程序，行的程序，行的程序，行的程序，转转去去去去执执行中断程序。行中断程序。行中断程序。行中断程序。当当当当处处理完理完理完理完毕毕后，再返回原程序后，再返回原程序后，再返回原程序后，再返回原程序继续继续运行下去。运行下去。运行下去。运行下去。2.2.DMADMA请请求信号求信号求信号求信号。等。等。等。等CPUCPU完成当前机器周期操作后，完成

45、当前机器周期操作后，完成当前机器周期操作后，完成当前机器周期操作后，暂暂停工作，停工作，停工作，停工作，让让出出出出总线给总线给I/OI/O设备设备，在完成，在完成，在完成，在完成I/OI/O设备设备与存与存与存与存储储器器器器之之之之间间的的的的传传送数据操作后，送数据操作后，送数据操作后，送数据操作后，CPUCPU从从从从暂时暂时中止的机器周期中止的机器周期中止的机器周期中止的机器周期开始开始开始开始继续执继续执行指令。行指令。行指令。行指令。DMADMA操作不允操作不允操作不允操作不允许许改改改改变变CPUCPU中任一寄存器状中任一寄存器状中任一寄存器状中任一寄存器状态态（除（除（除（除

46、DMADMA专专用部件外），否用部件外），否用部件外），否用部件外），否则则会影响会影响会影响会影响CPUCPU工作的正确工作的正确工作的正确工作的正确性。性。性。性。356.2 控制器的组成6.2.1 控制器的功能控制器的功能6.2.2 控制器的控制器的组成成6.2.3 指令指令执行行过程程366.2.2 控制器的组成CPU主要由主要由运算器和控制器两大部分运算器和控制器两大部分组成成，此外此外CPU内内还有一些有一些专用的寄存器用的寄存器。运算器运算器内内设有算有算术逻辑单元元ALU、累加器。、累加器。控制器控制器内有指令寄存器、指令内有指令寄存器、指令译码器、操器、操作控制器和作控制器和

47、时序序产生器等。生器等。它它们通通过CPU的的内部内部总线联系在一起。系在一起。37CPUCPU主要组成部分逻辑结构图主要组成部分逻辑结构图主要组成部分逻辑结构图主要组成部分逻辑结构图386.2.2 控制器的组成运算器：运算器：由算由算由算由算术逻辑单术逻辑单元（元（元（元（ALUALU）、累加寄存器、数）、累加寄存器、数）、累加寄存器、数）、累加寄存器、数据据据据缓缓冲寄存器和状冲寄存器和状冲寄存器和状冲寄存器和状态态条件寄存器条件寄存器条件寄存器条件寄存器组组成，它是成，它是成，它是成，它是数据加工数据加工数据加工数据加工处处理部件理部件理部件理部件。相相相相对对控制器而言，运算器接受控制

48、器的命令而控制器而言，运算器接受控制器的命令而控制器而言，运算器接受控制器的命令而控制器而言，运算器接受控制器的命令而进进行行行行动动作，即运算器所作，即运算器所作，即运算器所作，即运算器所进进行的全部操作都是行的全部操作都是行的全部操作都是行的全部操作都是由控制器由控制器由控制器由控制器发发出的控制信号来指出的控制信号来指出的控制信号来指出的控制信号来指挥挥的，所以它的，所以它的，所以它的，所以它是是是是执执行部件行部件行部件行部件。运算器有两个运算器有两个主要功能主要功能：1.1.执执行所有的行所有的行所有的行所有的算算算算术术运算；运算；运算；运算；2.2.执执行所有的行所有的行所有的行

49、所有的逻辑逻辑运算。运算。运算。运算。396.2.2 控制器的组成算算算算术逻辑单术逻辑单元元元元ALUALU（Arithmetic Logic UnitArithmetic Logic Unit）：）：）：）：运算器的核心，完成运算器的核心，完成运算器的核心，完成运算器的核心，完成CPUCPU的算的算的算的算术术和和和和逻辑逻辑运算。运算。运算。运算。ALUALU的运算是以加法和的运算是以加法和的运算是以加法和的运算是以加法和逻辑逻辑运算运算运算运算为为基基基基础础的，它有的，它有的，它有的，它有两个两个两个两个输输入、一个入、一个入、一个入、一个输输出出出出。参与运算的一个数来自累加器，另

50、。参与运算的一个数来自累加器，另。参与运算的一个数来自累加器，另。参与运算的一个数来自累加器，另一个来自数据一个来自数据一个来自数据一个来自数据缓缓冲器，运算的冲器，运算的冲器，运算的冲器，运算的结结果又保存到累加器中。果又保存到累加器中。果又保存到累加器中。果又保存到累加器中。进进行行行行较为较为复复复复杂杂的数的数的数的数值计值计算，如函数、浮点运算，需要算，如函数、浮点运算，需要算，如函数、浮点运算，需要算，如函数、浮点运算，需要花花花花费较长费较长的的的的时间时间。为为了提高了提高了提高了提高计计算机数算机数算机数算机数值值运算的速度，通常配置一运算的速度，通常配置一运算的速度，通常配