第3章 CPU子系统 西南石油大学计算机科学学院 主讲教师 杨 梅 联系电话：

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1 第3章 CPU子系统 西南石油大学计算机科学学院 主讲教师 杨 梅 联系电话：159 2858 2759
主讲教师 杨 梅 联系电话：

2 第三章 CPU子系统 一起讨论！！ 工作机制 逻辑组成 CPU的主要功能是什么？ 执行指令，控制全机的各项操作，如：运算、传送、I/O
SCS-SWPU 第三章 CPU子系统 一起讨论！！ CPU的主要功能是什么？ 执行指令，控制全机的各项操作，如：运算、传送、I/O 需要解决的问题 CPU由哪些部件组成 各部件之间如何交换信息 CPU如何与外部连接 CPU如何根据指令形成微命令，控制各部件的执行？ 工作机制 逻辑组成 计算机组成原理

3 第三章 CPU子系统 重点 3.1 概 述 3.2 算术、逻辑运算部件 3.3 指令系统 3.4 CPU模型 3.5 组合逻辑控制方式
SCS-SWPU 第三章 CPU子系统 3.1 概 述 3.2 算术、逻辑运算部件 3.3 指令系统 重点 3.4 CPU模型 3.5 组合逻辑控制方式 难点 3.6 微程序控制方式 计算机组成原理

4 3.1 CPU子系统概述 1 CPU的基本组成 2 时序控制方式 3 CPU的工作原理

5 3.1.1 CPU的基本组成 运算器：ALU、累加器、PSW等 中央处理器（CPU, Central Processing Unit）
SCS-SWPU CPU的基本组成 中央处理器（CPU, Central Processing Unit） 计算机的核心部分 运算器：ALU、累加器、PSW等 组成 控制器：PC、IR、微命令产生部件、译码器等 寄存器组：R0,R1 …等 主要功能： 1．指令控制：控制指令执行顺序，如：逐条执行或跳转执行； 2．操作控制：解释并控制指令的运行； 3．时间控制：产生操作时序，按时间顺序启动各类操作； 4．数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理 计算机组成原理

6 3.1.1 CPU的基本组成 CPU——1、运算器 1）组成： 2）主要功能有： 数据加工处理部件，操作由控制器控制；
SCS-SWPU CPU的基本组成 CPU——1、运算器 1）组成： 数据加工处理部件，操作由控制器控制； 由算术逻辑部件ALU、累加器、数据缓冲寄存器、程序状态寄存器等组成。 2）主要功能有： ⑴ 执行算术运算和逻辑运算； ⑵ 执行逻辑测试，进行数据比较。 计算机组成原理

7 3.1.1 CPU的基本组成 3）运算部件的组成 运算部件的设置情况（了解） 运算结果 输出逻辑 输入逻辑 … 操作数 （1）输入逻辑
SCS-SWPU CPU的基本组成 输出逻辑 输入逻辑 操作数 ALU 运算结果 … 3）运算部件的组成 （1）输入逻辑 （2）算术、逻辑运算部件ALU （3）输出逻辑 运算部件的设置情况（了解） 设置一个ALU； 设置一个ALU，且配合时序控制，在时序下完成乘除运算； 设置一个ALU，且将定点乘除部件和浮点部件作为基本配置； 设置多个运算部件。 讲述多个ALU部件时，可以引入讲解 流水线技术 计算机组成原理

8 3.1.1 CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 (1) 通用寄存器组 GR (2) 暂存器 多个寄存器组成，可存放操作数或地址信息。
SCS-SWPU CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 (1) 通用寄存器组 GR 多个寄存器组成，可存放操作数或地址信息。 使用时对寄存器进行编号，按寄存器号进行访问。 功能通用、数目少、位数多、可编程等 (2) 暂存器 用于暂存某些中间过程所产生的信息 不可被CPU直接编程访问 暂存器的使用对用户是透明的 存 放 数 据 , 提 供 CPU 的 处 理 对 象 计算机组成原理

9 3.1.1 CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 (3) 指令寄存器IR 保存当前正在执行的指令。 从存储器取出的指令存放在IR中。
SCS-SWPU CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 (3) 指令寄存器IR 保存当前正在执行的指令。 从存储器取出的指令存放在IR中。 指令寄存器中操作码字段输出作为指令译码器的输入， 经译码转换为具体操作信号。 指令队列（或称指令栈），允许取若干条指令 MDR IR OP2 A1 A2 栈底 主存 指令队列：支持流水线技术的关键 OP1 A1 A2 OP1 A1 A2 OP1 A1 A2 OP2 A1 A2 ……. PC 计算机组成原理

10 3.1.1 CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 (4) 程序计数器 PC 保存下一条指令地址，又称为指令计数器或指令指针
SCS-SWPU CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 (4) 程序计数器 PC 保存下一条指令地址，又称为指令计数器或指令指针 PC 是具有计数功能的寄存器。 顺序执行： （PC）+ n => PC 跳转执行： 转移地址 => PC 1000H 1001H OP1 A1 A2 A3 PC PC+1 1004H 1002H 指令队列：支持流水线技术的关键 计算机组成原理

11 3.1.1 CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 (5) 程序状态寄存器 PSW 工作方式 I 优先级 T N Z V C
SCS-SWPU CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 (5) 程序状态寄存器 PSW PSW是一个由各种状态条件标志组成的寄存器； 用于存放程序状态字(PSW)，记录程序的运行状态、指 示程序的工作方式 包含按算术、逻辑指令运行或测试的结果建立的条件码 ：如进位标志（C） ，溢出标志（V） ，结果为零标志 （Z） ，负标志（N），奇偶位（p）等 这些标志分别由1位触发器保存 工作方式 I 优先级 T N Z V C 计算机组成原理

12 3.1.1 CPU的基本组成 工作方式 I 优先级 T N Z V C 反映程序运行结果 C=1 进位 V=1 溢出 Z=1 结果为0
SCS-SWPU CPU的基本组成 工作方式 I 优先级 T N Z V C 反映程序运行结果 C=1 进位 V=1 溢出 Z=1 结果为0 N=1 结果为负 （1）特征位 程序 （2）编程设定位 初始化置T为1 T: 为查错设置的断点标志 ... 测试T T=1, 执行跟踪程序 ….. I：中断允许标志位 跟踪程序 ... 计算机组成原理

13 3.1.1 CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 MAR 内存 CPU MDR (6) 地址寄存器 MAR
SCS-SWPU CPU的基本组成 CPU——2、寄存器组 (6) 地址寄存器 MAR 用于保存当前 CPU 所访问的内存单元地址。 (7) 数据缓冲寄存器 MDR 暂存由CPU与内存之间传送的数据信息 地址 MAR 地址 内存 CPU MDR 数据 数据 主要作用： 作为CPU与内存、外部设备之间信息传送的缓冲区； 补偿CPU与内存、 I/O设备之间在速度上的差异； 计算机组成原理

14 3.1.1 CPU的基本组成 CPU——3、控制器 1）主要部件： 协调和指挥整个系统操作。
SCS-SWPU CPU的基本组成 CPU——3、控制器 1）主要部件： 协调和指挥整个系统操作。 由程序计数器、指令寄存器、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。 2）主要功能： ⑴ 从内存取指令，并指出下一条指令在内存中的位置； ⑵ 对指令进行译码，产生操作控制信号，启动规定动作； ⑶ 控制 CPU、内存和输入/输出设备之间的数据传输。 计算机组成原理

15 控制器的分类 控制器 的类型 组合逻辑控制器 微程序控制器 微命令由 微命令由 组合逻辑电路产生 微指令译码产生 SCS-SWPU
计算机组成原理

16 3.1.1 CPU的基本组成 CPU—— 4、内部数据通路结构 （1）单组内总线、分离寄存器结构 移位器 ALU R0 Rn
SCS-SWPU CPU的基本组成 CPU—— 4、内部数据通路结构 （1）单组内总线、分离寄存器结构 移位器 ALU 多路选择器B 多路选择器A R0 Rn R Rn R Rn 内部总线（单向） 特点： R各自独立； 可同时向ALU提供两个操作数； 采用单向内总线； 控制简单集中 但所需元器件和连线增多 计算机组成原理

17 3.1.1 CPU的基本组成 （2） 单组内总线、集成寄存器结构 移位器 ALU 暂存器C 暂存器D 内部总线（双向） R0
SCS-SWPU CPU的基本组成 （2） 单组内总线、集成寄存器结构 移位器 ALU 暂存器D 暂存器C 内部总线（双向） R0 Rn 通用寄存器组（小型存储器） 特点： 单口RAM不能同时向ALU 提供两个操作数； 用锁存器暂存操作数； 采用双向内总线。 计算机组成原理

18 3.1.1 CPU的基本组成 （3） 多组内总线结构 IR PC 寄存器数据总线 输入数据总线 MDR 多路开关 多路开关 R0 R1
SCS-SWPU CPU的基本组成 （3） 多组内总线结构 IR PC 寄存器数据总线 输入数据总线 MDR 多路开关 多路开关 R0 R1 暂存器T1 暂存器T2 MAR … Rn ALU ALU数据总线 计算机组成原理

19 3.1 CPU子系统概述 1 CPU的基本组成 2 时序控制方式 3 CPU的工作原理

20 SCS-SWPU 时序系统 1．时序系统的概念 时序信号的作用：按一定的时间序列产生一系列脉冲与电位信号，控制器根据电位和定时脉冲的顺序和间隔指挥机器运作。 时序信号产生器的组成： 时钟源、脉冲发生器、节拍脉冲、读写时序译码逻辑、 启停控制逻辑等 组成计算机硬件的器件决定了时序信号最基本的体制是电位—脉冲制。如寄存器由多个触发器组成，在触发器的数据输入端D提供电平信号，在触发器的时钟端CLK 提供脉冲信号，脉冲的上升沿时将电平信号打入，实现数据存储。 计算机组成原理

21 3.1.2 时序系统 时序 控制方式 多级时序的概念 (1)时钟脉冲 (2)时钟周期(节拍) (3)机器周期 (4)指令周期 同步控制方式
SCS-SWPU 时序系统 时序 控制方式 同步控制方式 异步控制方式 多级时序的概念 (1)时钟脉冲 (2)时钟周期(节拍) (3)机器周期 (4)指令周期 联合控制方式 计算机组成原理

22 3.1.2 时序系统 时钟脉冲： 节拍（又称时钟周期）: CPU周期（又称机器周期或工作周期): 振荡器
SCS-SWPU 时序系统 时钟脉冲： 振荡器输出的频率稳定的主振脉冲，经倍频或分频产生节拍等 节拍（又称时钟周期）: 主频的倒数，CPU完成一步操作所需要的时间。 CPU周期（又称机器周期或工作周期): 机器周期对应指令执行的不同阶段，例如取指令、取操作数、执行等阶段。 各阶段长短不一，按最长的阶段来划分机器周期。 通常一个机器周期包含4个节拍T1-T4。 产生脉冲型微命令，控制定时操作 产生电位型微命令，控制操作时间段 工作脉冲 振荡器 倍频 分频器 时钟脉冲 时钟周期(节拍) 计算机组成原理

23 多级时序信号之间的关系（时序关系） 取指 取数 执行 指令周期 晶振输出 工作脉冲P 节拍T1 节拍T2 工作周期1 工作周期2 工作周期3
SCS-SWPU 多级时序信号之间的关系（时序关系） 晶振输出 对微操作定时 工作脉冲P 打入IR 打入PC 控制分步操作时间 节拍T1 取出指令 取源操作数 节拍T2 修改PC 取目的操作数 控制不同阶段操作时间 工作周期1 取指 工作周期2 取数 工作周期3 执行 指令周期 计算机组成原理

24 3.1.2 时序控制方式 1、同步控制方式： 特点： 用统一发出的时序信号对各项操作进行同步控制
SCS-SWPU 时序控制方式 1、同步控制方式： 用统一发出的时序信号对各项操作进行同步控制 特点： a）控制器产生统一的,顺序固定的,周而复始的节拍脉冲 b) 各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制 c) 以微操作序列最长的指令为标准，确定控制微操作运行的节拍数 计算机组成原理

25 3.1.2 时序控制方式 1、同步控制方式： 优点: 电路简单，控制不复杂 缺点: 时间安排不合理，时间利用不经济
SCS-SWPU 时序控制方式 1、同步控制方式： 优点: 电路简单，控制不复杂 时序划分规整，控制逻辑易于集中，便于管理 CPU内部、主存、外设内部或设备之间的工作速度差 异小的情况下广泛采用 缺点: 时间安排不合理，时间利用不经济 计算机组成原理

26 3.1.2 时序控制方式 2、异步控制方式： 主 从 总线 发/接 接/发 ● 主设备： 申请并掌握总线权的设备。 ● 从设备：
SCS-SWPU 时序控制方式 2、异步控制方式： 各项操作不受统一时序控制,根据需要安排不同的时间，各操作之间的衔接、数据的传送均采用异步应答方式 总线 主 从 发/接 接/发 ● 主设备： 申请并掌握总线权的设备。 ● 从设备： 响应主设备请求的设备。 计算机组成原理

27 3.1.2 时序控制方式 2、异步控制方式： 总线 发/接 接/发 特点： 优点: 缺点: 主 从 a）每步操作按照实际的需要安排时间
SCS-SWPU 时序控制方式 2、异步控制方式： 特点： a）每步操作按照实际的需要安排时间 b) 采用应答的方式进行沟通 c) 应答双方分为主设备和从设备 优点: 时间安排紧凑合理 缺点: 控制比较复杂 总线 主 从 发/接 接/发 计算机组成原理

28 3.1.2 时序控制方式 同步控制的应用场合 异步控制的应用场合 CPU、各种设备内部广泛采用
SCS-SWPU 时序控制方式 同步控制的应用场合 CPU、各种设备内部广泛采用 各部件、设备之间的传送距离不太长，工作速度差异不太大 各部件、设备之间传送所需要的时间比较固定 异步控制的应用场合 用于异步总线操作 系统总线连接的各设备工作速度差异大 各设备之间的传送时间差别较大或不确定 设备之间传送距离的较远 计算机组成原理

29 3.1.2 时序控制方式 3、联合控制方式： 特点： 优点: 缺点: 将同步和异步控制方式结合使用 a）大部分指令按同步控制执行——中央控制
SCS-SWPU 时序控制方式 3、联合控制方式： 将同步和异步控制方式结合使用 特点： a）大部分指令按同步控制执行——中央控制 b）小部分特殊指令（过长、过短），采用异步控制方式执行——局部控制 优点: 结合两种控制方式的长处 缺点: 电路设计相对复杂 计算机组成原理

30 3.1 CPU子系统概述 1 CPU的基本组成 2 时序控制方式 3 CPU的工作原理

31 CPU的工作原理 1、CPU的主要功能 2、CPU的工作过程 处理指令 执行操作 控制时间 处理数据 取指令 指令译码 指令执行 后续处理
SWPU 计算机组成原理 CPU的工作原理 1、CPU的主要功能 处理指令 执行操作 控制时间 处理数据 2、CPU的工作过程 取指令 指令译码 指令执行 后续处理

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