计算机组成原理-CPU的组成和功能.ppt

5.1 CPU的组成和功能 5.1.1 CPU的功能 5.1.2 CPU的基本组成 5.1.3 CPU中的主要寄存器 5.1.4 操作控制器与时序产生器 5.1.1 CPU的功能 前言: 当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它编写程序。程序是一个指令序列，这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装入内存储器，就可以由计算机来自动完成取出指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理器，通常简称CPU。 5.1.1 CPU的功能 CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能： 指令控制  程序的顺序控制称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行。 5.1.1 CPU的功能 操作控制 一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，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，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。 5.1.1 CPU的功能 时间控制 对各种操作实施时间上的定时称为时间控制。在计算机中，各种指令的操作信号以及一条指令的整个执行过程都受到时间的严格定时。 数据加工  数据加工就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。 5.1.2 CPU的基本组成 　 CPU的基本部分由运算器、cache和控 制器三大部分组成。 CPU模型参看下图：　 5.1.2 CPU的基本组成 5.1.2 CPU的基本组成 控制器 　　由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。 5.1.2 CPU的基本组成 它的主要功能有： (1)从内存中取出一条指令，并指出下一条 指令在内存中的位置； (2)对指令进行译码或测试，并产生相应的 操作控制信号，以便启动规定的动作； (3)指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。 5.1.2 CPU的基本组成 运算器 由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作 ，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。 5.1.2 CPU的基本组成 运算器有两个主要功能： (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， 如零值测试或两个值的比较。 5.1.3　CPU中的主要寄存器 在CPU中至少要有六类寄存器。 这些寄存器用来暂存一个计算机字。根据需要，可以扩充其数目。下面详细介绍这些寄存器的功能与结构。 5.1.3　CPU中的主要寄存器 1.数据缓冲寄存器（DR） 数据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数据缓冲寄存器中。 5.1.3　CPU中的主要寄存器 缓冲寄存器的作用是 ： (1)作为CPU和内存、外部设备之间信息 传送的中转站； (2)补偿CPU和内存、外围设备之间在操 作速度上的差别； (3)在单累加器结构的运算器中，数据缓 冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。 5.1.3　CPU中的主要寄存器 2.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，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。 指令译码器就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。 5.1.3　CPU中的主要寄存器 3.程序计数器（PC） 　为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC，因此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，以便使其保持的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