中央处理器.ppt
《中央处理器.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中央处理器.ppt(28页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、现在学习的是第1页,共28页l中央处理器简称中央处理器简称CPU,是计算机系统的核心。是计算机系统的核心。l主要功能:控制各个部件协调工作,具体有:主要功能:控制各个部件协调工作,具体有:1. 指令控制:严格控制程序的执行顺序,是指令控制:严格控制程序的执行顺序,是CPU首要的任务首要的任务2. 操作控制:操作控制:CPU产生操作信号传送给被控部件,并能检测产生操作信号传送给被控部件,并能检测 各个部件发送的信号。各个部件发送的信号。3. 时序控制:对操作信号施加时间上的控制。时序控制:对操作信号施加时间上的控制。 只有严格的时序控制,才能保证各功能部件组只有严格的时序控制,才能保证各功能部件
2、组 合构成有机的计算机系统。合构成有机的计算机系统。4. 数据加工:数据加工处理是完成程序功能的基础,是数据加工:数据加工处理是完成程序功能的基础,是CPU 的根本任务。的根本任务。l组成:由运算器和控制器组成。组成:由运算器和控制器组成。 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。控制器组成。现在学习的是第2页,共28页控制器的主要任务有:控制器的主要任务有:l取指取指 从主存中取出指令送到指令寄存器,指令的操作码送给指令译从主存中取出指令送到指令寄存器,指令的操作码送给指令译码器,并同时修改程序计数器
3、,以便于指出下一条指令在主存中码器,并同时修改程序计数器,以便于指出下一条指令在主存中的存放地址。的存放地址。l译码译码 对译码器中的指令操作码进行识别和解释,产生相应的操作控制信号。对译码器中的指令操作码进行识别和解释,产生相应的操作控制信号。从而启动相应的部件,完成此指令规定的操作。从而启动相应的部件,完成此指令规定的操作。l数据流控制数据流控制指挥和控制指挥和控制CPU、主存及输入输出部件之间的数据流动方向主存及输入输出部件之间的数据流动方向l 运算器由算术逻辑部件运算器由算术逻辑部件ALU、累加器、数据缓冲寄存器、寄累加器、数据缓冲寄存器、寄存器组和状态寄存器组成,是数据加工处理部件。
4、存器组和状态寄存器组成,是数据加工处理部件。1.CPU主要组成部件逻辑结构图见书主要组成部件逻辑结构图见书157:图图61现在学习的是第3页,共28页l1、寄存器:、寄存器:l是是CPU中的重要组成部分,是中的重要组成部分,是CPU内部的临内部的临时存储单元。时存储单元。l寄存器增加可以提高寄存器增加可以提高CPU运行速度。运行速度。l2、存放内容:、存放内容:l数据、地址、控制信息、数据、地址、控制信息、CPU的工作状态信的工作状态信息息l3、分类:、分类:l可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。现在学习的是第4页,共28页l数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DR
5、用来存放用来存放CPU从主存读来的一个指令字或一个数据字从主存读来的一个指令字或一个数据字作用是:作用是:(1)作为)作为CPU与主存、外围设备之间的信息中转站与主存、外围设备之间的信息中转站(2)对数据起到缓冲作用,补偿)对数据起到缓冲作用,补偿CPU与主存、外围设备之间的与主存、外围设备之间的操作时间差异。操作时间差异。(3)缓冲寄存器为算术逻辑部件提供另一个操作数。)缓冲寄存器为算术逻辑部件提供另一个操作数。l指令寄存器指令寄存器IR当当CPU从主存中取指令时,取得的指令经缓冲寄存器转送到指令从主存中取指令时,取得的指令经缓冲寄存器转送到指令寄存器。还有对指令中的操作码进行译码的任务。寄
6、存器。还有对指令中的操作码进行译码的任务。l程序计数器程序计数器PC用来确定下一条指令在主存中的地址。用来确定下一条指令在主存中的地址。修改修改PC值可以:顺序执行指令或者分支转移指令执行。值可以:顺序执行指令或者分支转移指令执行。l地址寄存器地址寄存器AR用来保存当前用来保存当前CPU所要访问的主存单元或所要访问的主存单元或I/O端口地址。端口地址。现在学习的是第5页,共28页5. 累加寄存器累加寄存器AC简称累加器。信息来源于缓冲寄存器或算术逻辑单元,数据出口简称累加器。信息来源于缓冲寄存器或算术逻辑单元,数据出口是是ALU。6. 状态寄存器状态寄存器PSW用来保存执行算术运算指令、逻辑运
7、算指令及各类测试指令时自动产生的用来保存执行算术运算指令、逻辑运算指令及各类测试指令时自动产生的状态结果,为后续指令的执行提供判断条件。状态结果,为后续指令的执行提供判断条件。6.1.4 操作控制器和时序产生器操作控制器和时序产生器数据通路:即许多寄存器之间传送信息的通路。数据通路:即许多寄存器之间传送信息的通路。在各类寄存器之间建立数据通路的任务由操作控制器来完成在各类寄存器之间建立数据通路的任务由操作控制器来完成 操作控制器的功能就是根据指令操作码和时序信号,产生各种操作操作控制器的功能就是根据指令操作码和时序信号,产生各种操作控制信号,用来正确的建立数据通路,完成取指令和执行指令的控制。
8、控制信号,用来正确的建立数据通路,完成取指令和执行指令的控制。 根据不同的设计,操作控制器分为:时序逻辑型、存储逻辑型、时根据不同的设计,操作控制器分为:时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑型与存储逻辑型结合型序逻辑型与存储逻辑型结合型现在学习的是第6页,共28页l指令周期的基本概念指令周期的基本概念l非访内指令的指令周期非访内指令的指令周期l直接访内指令的指令周期直接访内指令的指令周期l间接访内指令的指令周期间接访内指令的指令周期l程序控制指令的指令周期程序控制指令的指令周期l用方框图语言表示指令周期用方框图语言表示指令周期现在学习的是第7页,共28页6.2.1 指令周期指令周期 CPU可以轻松
9、的区别出指令和数据是因为它能按程序中的指令序列取可以轻松的区别出指令和数据是因为它能按程序中的指令序列取指,并对指令进行译码、执行。指,并对指令进行译码、执行。 具体过程:先按程序计数器的值从主存中取得一条指令,然后译码、具体过程:先按程序计数器的值从主存中取得一条指令,然后译码、执行,接着又取下一条指令,译码、执行。直至遇到停机指令。执行,接着又取下一条指令,译码、执行。直至遇到停机指令。见见图图P160 6-2 指令周期指令周期:从主存中取出一条指令到执行完这条指令的时间。:从主存中取出一条指令到执行完这条指令的时间。机器周期机器周期:即:即CPU周期。周期。时钟周期时钟周期:处理操作的最
10、基本的单位又叫节拍脉冲或:处理操作的最基本的单位又叫节拍脉冲或T周期。周期。 指令周期常用机器周期来表示,一个机器周期又包含若干个时钟周指令周期常用机器周期来表示,一个机器周期又包含若干个时钟周期期。 如果指令执行时间的节拍数与取指的节拍数相同,叫定长如果指令执行时间的节拍数与取指的节拍数相同,叫定长CPU周期。周期。见见图图P160 6-3 为了提高指令的执行速度,有的计算机采用不定长的为了提高指令的执行速度,有的计算机采用不定长的CPU周期,可以周期,可以缩短指令的执行时间。缩短指令的执行时间。见见图图P161 6-4现在学习的是第8页,共28页一条这样的指令的指令周期需要一条这样的指令的
11、指令周期需要2个个CPU周期。周期。第第1个个CPU周期用来进行取指和译码操作。周期用来进行取指和译码操作。第第2个个CPU周期用于指令的执行操作。周期用于指令的执行操作。在整个取指,译码阶段,在整个取指,译码阶段,CPU完成下面的操作:完成下面的操作:图图6-5 (1)从主存中取出指令)从主存中取出指令(2)程序计数器)程序计数器PC的值加的值加1送送PC,确定下一条指令的地址确定下一条指令的地址(3)对取得的指令的操作码进行译码,确定该指令的操作。)对取得的指令的操作码进行译码,确定该指令的操作。l取指译码阶段取指译码阶段P162图图6-6l指令执行阶段指令执行阶段P162图图6-7l送操
12、作数地址送操作数地址1.取操作数和指令执行取操作数和指令执行P164图图6-8现在学习的是第9页,共28页6.2.4 间接访内指令的指令周期间接访内指令的指令周期l送地址指针送地址指针l取操作数地址取操作数地址l存储结果存储结果P166图图6-11l6.2.5 程序控制指令的指令周期程序控制指令的指令周期P168图图6-13l6.2.6 指令周期流程图指令周期流程图P169图图6-14l6.3 时序产生器和控制方式时序产生器和控制方式6.3.1 时序信号的作用和体制时序信号的作用和体制CPU 区别指令和数据是依靠:区别指令和数据是依靠:1. 1.从时间上:从时间上:取指令发生在指令周期的第取指
13、令发生在指令周期的第1 1个个CPUCPU周期中周期中。 取数据发生在指令周期的后几个取数据发生在指令周期的后几个CPUCPU周期中周期中。2.2.从空间上:从空间上:若取出的代码是指令,则一定送到指令寄存器若取出的代码是指令,则一定送到指令寄存器 若取出的代码是数据,一定送到运算器若取出的代码是数据,一定送到运算器。计算机的协调动作需要时间标志,时间标志是用时序信号体现的计算机的协调动作需要时间标志,时间标志是用时序信号体现的现在学习的是第10页,共28页 组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是电位电位- -脉冲制脉冲制。 硬
14、布线控制器中,时序信号采用主状态周期硬布线控制器中,时序信号采用主状态周期-节拍电位节拍电位-节拍脉节拍脉冲三级体制。冲三级体制。 一个节拍电位表示一个一个节拍电位表示一个CPUCPU周期的时间周期的时间,表示了一个较大的时间,表示了一个较大的时间单位。单位。 在在一个节拍电位中又包含若干个节拍脉冲一个节拍电位中又包含若干个节拍脉冲,表示较小的时间,表示较小的时间单位;单位;主状态周期可包含若干个节拍电位主状态周期可包含若干个节拍电位,它是最大的时间单位。,它是最大的时间单位。主状态周期可以用一个触发器的状态持续时间表示。主状态周期可以用一个触发器的状态持续时间表示。 在微程序控制器中,采用节
15、拍电位在微程序控制器中,采用节拍电位- -节拍脉冲二级体制节拍脉冲二级体制。只有一。只有一个节拍电位,在节拍电位中又包含若干个节拍脉冲(时钟周期)。个节拍电位,在节拍电位中又包含若干个节拍脉冲(时钟周期)。节节拍电位表示一个拍电位表示一个CPUCPU周期周期的时间,而的时间,而节拍脉冲把一个节拍脉冲把一个CPUCPU周期划分周期划分成几个较小的时间间隔成几个较小的时间间隔。6.3.2 时序信号产生器时序信号产生器1. 1. 时钟源时钟源现在学习的是第11页,共28页 用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。冲信号。由石
16、英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成。由石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路组成。输出送到环形脉冲发生器。输出送到环形脉冲发生器。2. 2. 环形脉冲发生器环形脉冲发生器 产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列,通过译码电路来产生最产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列,通过译码电路来产生最后所需的节拍脉冲。后所需的节拍脉冲。3. 3. 启停控制逻辑启停控制逻辑 核心是一个运行标志触发器核心是一个运行标志触发器Cr6.3.3 控制方式控制方式控制器的控制方法:控制不同操作序列时序信号的方法。控制器的控制方法:控制不同操作序列时序信号的方法。常用的有:同步控制、异步控制、联合控制。
17、常用的有:同步控制、异步控制、联合控制。实质反映了时序信号的定时方式。实质反映了时序信号的定时方式。1. 1. 同步控制方式同步控制方式已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数是固定不变的。已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数是固定不变的。现在学习的是第12页,共28页可选取的方案:可选取的方案:(1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。 对简单指令和简单操作来说,造成时间浪费对简单指令和简单操作来说,造成时间浪费。(2)采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一个较短采用不定长机器周期。将大多数操作安排在一个较短 的机器周期内完成
18、的机器周期内完成。(3)中央控制与局部控制结合中央控制与局部控制结合。 中央控制:中央控制:将大部分指令安排在固定的机器周期完成将大部分指令安排在固定的机器周期完成。 局部控制:局部控制:对少数复杂指令采用另外的时序进行定时对少数复杂指令采用另外的时序进行定时。2. 2. 异步控制方式异步控制方式特点:特点:每个指令、操做控制信号需要多少时间就占用多少时间每个指令、操做控制信号需要多少时间就占用多少时间用这种方式形成的操作控制序列没有固定的用这种方式形成的操作控制序列没有固定的CPU周期数或严格的时周期数或严格的时钟周期和它同步。钟周期和它同步。3. 3. 联合控制方式联合控制方式是同步和异步
19、控制结合的方式是同步和异步控制结合的方式。一个是,大部分操作序列安排在固定的机器周期中一个是,大部分操作序列安排在固定的机器周期中一个是,机器周期的节拍脉冲数固定,但各条指令周期的机器周期数不固定。一个是,机器周期的节拍脉冲数固定,但各条指令周期的机器周期数不固定。现在学习的是第13页,共28页微程序的控制原则:微程序的控制原则:以保存在只读存储器内的专用程以保存在只读存储器内的专用程 序代替逻辑控制电路。序代替逻辑控制电路。这种只读存储器称为这种只读存储器称为控制存储器控制存储器。以微程序形式保存控制信号叫以微程序形式保存控制信号叫微程序控制器微程序控制器。微程序控制器和硬布线控制器相比较,
20、具有归整性、灵活性、微程序控制器和硬布线控制器相比较,具有归整性、灵活性、可维护性等优点。可维护性等优点。 微程序的基本思想:微程序的基本思想:仿照通常的方法,把操作控制信仿照通常的方法,把操作控制信号编成所谓的号编成所谓的“微指令微指令”,存放到一个只读存储器中。,存放到一个只读存储器中。当机器运行时,一条又一条的读出这些微指令,产生全当机器运行时,一条又一条的读出这些微指令,产生全机所需要的各种操作控制信号,使相应部件执行所规定机所需要的各种操作控制信号,使相应部件执行所规定的操作。的操作。现在学习的是第14页,共28页6.4.1 微命令和微操作微命令和微操作控制部件通过控制线向执行部件发
21、出各种控制命令,这种控制命令控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令,这种控制命令叫微命令叫微命令。而执行部件接受微命令后所进行的操作而执行部件接受微命令后所进行的操作叫微操作叫微操作。微操作在执行部件中是最基本操作。微操作在执行部件中是最基本操作。相容性微操作:相容性微操作:在同时或在同一个在同时或在同一个CPU周期内可以并行执行得微周期内可以并行执行得微操作操作。相斥性微操作:相斥性微操作:指不能在同时或不能在同一个指不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执周期内并行执行的微操作行的微操作。6.4.2 微指令和微程序微指令和微程序在机器的一个在机器的一个CPU周期中,一组实现一定操作
22、功能的微命令的周期中,一组实现一定操作功能的微命令的组合构成一条组合构成一条微指令微指令。微指令由操作控制和顺序控制组成。微指令由操作控制和顺序控制组成。操作控制操作控制用来发出管理和指挥全机工作的控制信号用来发出管理和指挥全机工作的控制信号。 微指令格式中的微指令格式中的顺序控制顺序控制部分用来决定产生下一条微指令的地址。部分用来决定产生下一条微指令的地址。现在学习的是第15页,共28页 一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的,这个微一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的,这个微指令序列通常叫做指令序列通常叫做微程序微程序。6.4.3 6.4.3 微程序控制器原理
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中央处理器
限制150内