计算机组成原理（4）-中央处理器CPU

待我称王封你为后i 2022-05-15 00:15 1653阅读 0赞

早期CPU由运算器和控制器组成，称为中央处理机。随着ULSI技术的发展，CPU芯片外部增加了一些逻辑功能部件，CPU越来越复杂，因此CPU基本部分有了运算器、cache、控制器三大部分，称为中央处理器。

**CPU具有的功能**

**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。

**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，把各种操作信号送往相应部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

**时间控制：**对各种操作实施时间上的定时。

**数据加工：**对数据进行算术运算和逻辑运算处理。

**CPU的基本组成**

**控制器：**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。

**控制器的功能：**

（1）从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache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。比如一次数据cache的读/写操作，一个算术逻辑运算操作，或一个输入/输出操作。

（3）指挥并控制CPU、数据cache和输入/输出设备之间数据流动的方向。

**运算器：**算术逻辑单元（ALU）、通用寄存器、数据缓冲寄存器DR和状态条件寄存器PSW组成。

**运算器的功能：**

（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。

通常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判决。

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**CPU的结构**

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**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ALU的运算结果，或由数据存储器读出的一个数据字，或来自外部接口的一个数据字。**缓冲寄存器的作用是：**

1.作为ALU运算结果和通用寄存器之间信息传送中时间上的缓冲；

2.补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。

**（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。

1.当执行一条指令时，先把它从指令cache存储器（简称指存）读出，然后再传送至指令寄存器。

2.对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。（**指令译码器**的工作）指令寄存器中操作码字段的输出就hi指令译码器的输入。

3.操作码一经译码之后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。

**（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。

1.程序执行之前，必须将它的起始地址（第一条指令所在的指存单元地址）送入PC，因此PC的内容即是从指存提取的第一条指令的地址。

2.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。

3.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的对PC加1.

**（4）数据地址寄存器（AR）**

用来保存当前CPU所访问的数据cache存储器中（简称数存）单元的地址。

1.作用：由于要对存储器阵列进行地址译码，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到一次读/写操作完成为止。

2.信息的存入一般采用电位-脉冲方式，即电位输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控制信号。（结构和数据缓冲寄存器、指令寄存器不一样）

3.在控制信号作用下，瞬时地将信息打入寄存器。

**（5）通用寄存器（R0~R3）**

当算术逻辑单元（ALU）执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。

例如：在执行一次假发运算时，选择两个操作数（分别放在两个寄存器）相加，所得的结果送回其中一个寄存器（如R2）中，而R2中原有的内容即被替换。

在众多通用寄存器中，其中任何一个可存放源操作数，也可存放结果操作数。

**（6）状态字寄存器（PSW）**

**功能：**

1.保存由算术指令和逻辑指令运算或测试结果建立的**各种条件代码。**

如：运算结果进位状态（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）。这些标志通常为1位触发器保存。

2.保存中断和系统工作状态等信息，以便使CPU和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是一个由各种状态条件标志拼凑而成的寄存器。

指令周期

指令周期：取出一条指令并执行这条指令的时间。

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单周期：在一个CPU周期中完成取指和执行操作（少数指令可实现）。

多周期：大多数指令需要在多个CPU周期中完成指令周期的全部操作。

**五条基本指令**

**一、MOV指令(传送指令,RR型)**

MOV RO,R1

MOV执行（R1）->R0

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**MOV取指周期**

1.程序计数器PC中装入第一条指令地址101（八进制）；

2.PC的内容被放到指令地址总线ABUS(I)上，对指存进行译码，并启动读命令；

3.从101号地址读出的MOV指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器IR；

4.程序计数器内容加1，变成102，为取下一条指令做好准备。

5.指令寄存器中的操作吗（OP）被译码；

6.CPU识别出是MOV指令。至此，取指周期即告结束。

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**MOV执行周期**

1.操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作源寄存器，选择R0作目标寄存器；

2.OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作；

3.OC送出控制信号，打开ALU输出三态门，将ALU输出送到数据总线DBUS上。注意，任何时候DBUS上只能有一个数据。

4.OC送出控制信号，将DBUS上的数据，入到数据缓冲寄存器DR（10）；

5.OC送出控制信号，将DR中的数据10打入到目标寄存器R0,R0的内容由00变为10.至此，MOV指令执行结束。

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**二、LAD指令（取数指令,RS型）**

LAD R1,6

LAD从数存6号单元取数（100）->R1

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**LAD取指周期**

步骤和MOV取指周期相同。

**LAD执行周期**

1.操作控制器OC发出控制命令打开IR输出三态门，将指令中的直接地址码6放到数据总线DBUS上；

2.OC发出操作命令，将地址码6装入数存地址寄存器AR;

3.OC发出读命令，将数存6号单元中的数100读出到DBUS上；

4.OC发出命令，将DBUS上的数据100装入缓冲寄存器DR；

5.OC发出命令，将DR中的数100装入通用寄存器R1,原来R1中的数10被冲掉。至此，LAD指令执行周期结束。

注意，数据总线DBUS上分时进行了地址传送和数据传送，所以需要2个CPU周期。

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**ADD指令（加法指令，RR型）**

ADD R1,R2

ADD执行（R1）+(R2)->R2,结果为（R2）=120

**ADD取指周期**

步骤和MOV取指周期相同。

**ADD执行周期**

1.操作控制器OC送出控制命令到通用寄存器，选择R1做源寄存器，R2做目标寄存器；

2.OC送出控制命令到ALU，指定ALU做R1（100）和R2（20）的加法操作；

3.OC送出控制命令，打开ALU输出三态门，运算结果120放到DBUS上；

4.OC送出控制命令。将DBUS上数据打入缓冲寄存器DR；ALU产生的进位信号保存状态字寄存器在PS中；

5.OC送出控制命令，将DR（120）装入R2，R2中原来的内容20被冲掉。至此，ADD指令执行周期结束。

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**STO指令（存数指令，RS型）**

STO R2,(R3)

STO用(R3)间接寻址，(R2)=120写入数存30号单元

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**STO取指周期**

步骤和MOV取指周期相同。

**STO执行周期**

1.操作控制器OC送出操作命令到通用寄存器，选择(R3)=30做数据存储器的地址单元；

2.OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门（不经过AU以节省时间），将地址30放到DBUS上；

3.OC发出操作命令，将地址30打入AR，并进行数存地址译码；

4.OC发出操作命令到通用寄存器，选择（R2）=120，作为数存的写入数据；

5.OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将数据120放到DBUS上；

6.OC发出操作命令，将数据120写入数存30号单元，它原先的数据40被冲掉。至此，STO指令执行周期结束。

注意，DBUS是单总线结构，先送地址（30），后送数据（120），必须分时传送。

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**JMP指令（转移指令）**

无条件转移指令，用来改变程序的执行顺序。

JMP 101

JMP改变程序执行顺序到101号单元

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**JMP取指周期**

步骤和MOV取指周期相同。

**JMP执行周期**

1.OC发生操作控制命令，打开指令寄存器IR的输出三态门，将IR中的地址码101发送到DBUS上；

2.OC发出操作控制命令，将DBUS上的地址码101打入到程序计数器PC中，PC中的原先内容106被更换。于是下一条指令不是从106号单元取出，而是转移到101号单元取出。至此，JMP指令执行周期结束。

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**小结：**

所有指令的取指周期是完全相同的，而且是一个CPU周期。但是指令的执行周期，由于各条指令的功能不同，所用的CPU是各个不相同的。

其中MOV、ADD、JMP指令是一个CPU周期；LAD和STO指令是两个CPU周期。

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