【正文】 為組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型以及組合邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型三種。 ? 狀態(tài)標(biāo)志寄存器（ PSW） ：用來(lái)存放由指令執(zhí)行結(jié)果所建立的狀態(tài)以及機(jī)器自身的運(yùn)行狀態(tài) ，第一類(lèi)為狀態(tài)標(biāo)志 ，第二類(lèi)為控制標(biāo)志 。只要 CPU和內(nèi)存交換信息，都要用到地址寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 ? 程序計(jì)數(shù)器（ PC） ：用來(lái)存放將要執(zhí)行的下一條指令的地址。 ? 指令寄存器（ IR） ：用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。各種計(jì)算機(jī) CPU可能不同，但 CPU中至少要有六類(lèi)寄存器必不可少： ? 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 ? 指令寄存器 ? 程序計(jì)數(shù)器 ? 地址寄存器 ? 累加寄存器 ? 狀態(tài)標(biāo)志寄存器。 ? 指揮并控制 CPU、內(nèi)存以及輸入輸出設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。 7 控制器的組成與主要功能 控制器的組成： ? 指令部件 ? 程序計(jì)數(shù)器 ? 指令寄存器 ? 指令譯碼器 ? 時(shí)序部件 ? 脈沖源 ? 節(jié)拍信號(hào)發(fā)生器 ? 啟?？刂七壿? ? 微操作信號(hào)發(fā)生器 ? 中斷控制邏輯 控制器的主要功能： ? 從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置 ? 對(duì)指令的操作碼進(jìn)行譯碼，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)。 5 CPU的基本組成 CPU由 運(yùn)算器 和控制器組成 6 運(yùn)算器的組成與主要功能 ? 運(yùn)算器的組成： ? 算術(shù)邏輯單元（ ALU） ? 累加寄存器 ? 狀態(tài)標(biāo)志寄存器 ? 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 ? 運(yùn)算器的功能（前面已經(jīng)介紹過(guò)）： ? 執(zhí)行所有的算術(shù)運(yùn)算 ? 執(zhí)行所有的邏輯運(yùn)算 通常算術(shù)運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)結(jié)果，而邏輯運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)判斷。 ? 數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。 ? 操作控制： CPU根據(jù)指令的要求，產(chǎn)生需要的操作信號(hào)。 CPU的基本功能就是對(duì)指令流和數(shù)據(jù)流在時(shí)間與空間上實(shí)施正確的控制。 在程序運(yùn)行過(guò)程中，在計(jì)算機(jī)的各部件之間傳送著指令和數(shù)據(jù)，形成了指令流和數(shù)據(jù)流。程序是一個(gè)指令序列，這個(gè)指令序列就是要明確告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)該執(zhí)行什么操作、數(shù)據(jù)從哪里來(lái)、結(jié)果送到哪里去。 ? 為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要解決 4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。1 第六章 中央處理器 ? 中央處理器，簡(jiǎn)稱(chēng) CPU，是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心，它包括運(yùn)算器和控制器。 CPU的主要功能是執(zhí)行指令，控制并完成各種操作，包括運(yùn)算操作、傳送操作、輸入輸出操作等。 ? CPU由哪些部件組成？ ? 各部件之間如何交換信息？ ? CPU如何建立與外部的連接？ ? CPU如何形成微命令序列來(lái)控制指令的執(zhí)行？ 2 本章主要內(nèi)容 主要內(nèi)容 ? 中央處理器的功能和組成 ? 控制器的組成和實(shí)現(xiàn)方法 ? 指令周期、時(shí)序系統(tǒng)與控制方式 ? 微程序控制原理 ? 操作控制單元的設(shè)計(jì) ? 流水線技術(shù) 3 一、中央處理器的功能 當(dāng)我們用計(jì)算機(jī)解決某個(gè)問(wèn)題時(shí)，首先要為計(jì)算機(jī)編寫(xiě)程序。之后，一旦把程序裝入主存，就可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地完成取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。 數(shù)據(jù)是在傳送過(guò)程中得到加工和處理的 。 4 CPU具備以下功能 CPU具備以下四個(gè)方面的功能： ? 指令控制：保證機(jī)器按順序執(zhí)行程序是 CPU的首要任務(wù)。 ? 時(shí)間控制：對(duì)各種操作信號(hào)進(jìn)行定時(shí)，即進(jìn)行時(shí)間控制。完成數(shù)據(jù)的加工處理，是 CPU的核心任務(wù)。運(yùn)算器是進(jìn)行數(shù)據(jù)加工處理的部件，全部操作由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來(lái)指揮，所以它是執(zhí)行部件。比如，一次內(nèi)存讀寫(xiě)操作，或一個(gè)算術(shù)邏輯運(yùn)算操作等。 8 CPU中的主要寄存器 ? CPU中的寄存器用來(lái)暫時(shí)存放運(yùn)算過(guò)程的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及狀態(tài)信息。 9 CPU中的主要寄存器（續(xù)） ? 數(shù)據(jù)緩沖寄存器（ MDR） ：用來(lái)暫存由內(nèi)存讀出或?qū)懭雰?nèi)存的指令和數(shù)據(jù)，是 CPU和內(nèi)存、外部設(shè)備信息傳送的中轉(zhuǎn)站 。在指令執(zhí)行期間，指令寄存器的內(nèi)容不允許發(fā)生變化。 ? 地址寄存器（ MAR） ：地址寄存器用來(lái)保存 CPU當(dāng)前所訪問(wèn)的內(nèi)存單元的地址。 ? 累加寄存器（ AC） ：執(zhí)行算術(shù)邏輯操作時(shí)，為 ALU提供操作數(shù)及存放運(yùn)算結(jié)果。 10 控制器的核心部件 ? 微操作信號(hào)發(fā)生器 ：控制器的核心部件，其功能是根據(jù)指令操作碼、狀態(tài)信息和時(shí)序信號(hào)，產(chǎn)生各種微操作控制信號(hào)，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。采用組合邏輯實(shí)現(xiàn)的控制器稱(chēng)為組合邏輯控制器，采用存儲(chǔ)邏輯實(shí)現(xiàn)的控制器稱(chēng)為微程序控制器。微操作控制信號(hào)有嚴(yán)格的時(shí)間要求，絕不能出現(xiàn)任何差錯(cuò)。 11 CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路 ? CPU內(nèi)部各部件之間需要傳送信息，例如操作數(shù)由寄存器送到 ALU進(jìn)行運(yùn)算， ALU將運(yùn)算結(jié)果送入寄存器存放，等等。 ? 通常，用總線連接 CPU內(nèi)部各部件。 12 二、指令周期 指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里。 13 指令周期的基本概念 ? CPU取指令 — 執(zhí)行指令的序列： ? 指令周期 是取出并執(zhí)行完一條指令的時(shí)間。 ? 指令周期通常用若干個(gè) CPU周期 來(lái)表示， CPU周期也叫 機(jī)器周期 。例如，從主存取出一條指令就需要一個(gè) CPU周期。 14 舉例，一個(gè)簡(jiǎn)單程序 八進(jìn)制地址 八進(jìn)制內(nèi)容 助記符 備注 020 021 022 023 024 . . 030 031 . . 040 250 000 030 030 020 040 000 000 140 021 . . 000 006 000 040 . . 存和數(shù)單元 CLA ADD 30 STA 40 NOP JMP 21 . . 累加器清零 AC相加 30單元 把 AC內(nèi)容存 40單元 空操作 跳轉(zhuǎn)，地址 21 15 ① CLA指令的指令周期 CLA指令完成累加器清零功能，是一條非訪存指令，需要兩個(gè)CPU周期，其中 取指令 階段需要一個(gè) CPU周期， 執(zhí)行指令 階段需要一個(gè) CPU周期。 CPU做 2個(gè)動(dòng)作： ? 微操作信號(hào)發(fā)生器送一控制信號(hào) (C)給算術(shù)邏輯單元 ALU。 ? ALU響應(yīng)控制信號(hào)，將累加寄存器 AC的內(nèi)容全部清零，從而執(zhí)行了CLA指令。 CPU已完成指令操作 18 ② ADD指令的指令周期 第二條指令是“ ADD 30”指令，這是一條通過(guò)訪問(wèn)內(nèi)存取數(shù)并執(zhí)行加法的指令。 第一個(gè) CPU周期為取指令階段，與 CLA指令相同，不再討論。 19 第二個(gè) CPU周期， 送操作數(shù)地址 CPU完成一件事： ? 送操作數(shù)地址到地址寄存器 MAR。 CPU做 4個(gè)動(dòng)作： ① MAR?ABUS ② DBUS?MDR ③ MDR?ALU ④ add ， ALU?AC CPU完成指令操作 21 ③ STA指令的指令周期 程序的第三條指令是“ STA 40”，這是一條訪問(wèn)內(nèi)存的存數(shù)指令。 第一個(gè) CPU周期為取指令階段，它與 CLA、 ADD指令相同。我們討論第三個(gè) CPU周期。 CPU做 4個(gè)動(dòng)作： ① AC?MDR ② MAR?ABUS ③ MDR?DBUS ④ write CPU完成指令操作 23 ④ NOP指令和 JMP指令的指令周期 程序現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行到第四條指令 “ NOP”指令，這是一條空操作指令。因譯碼器譯出是“ NOP”指令，在第二個(gè) CPU周期中微操作信號(hào)發(fā)生器不發(fā)出任何控制信號(hào)。其含義是改變程序的執(zhí)行順序，無(wú)條件地轉(zhuǎn)移到地址 21執(zhí)行指令。我們從第二個(gè) CPU周期討論。 CPU做 1個(gè)動(dòng)作： ? IR?PC CPU完成指令操作 25 用方框圖來(lái)表示指令周期 一個(gè) 方框 代表一個(gè) CPU周期， 菱形 符號(hào)通常用來(lái)表示某種判別或測(cè)試，時(shí)間上依附于與它相鄰的前面一個(gè)方框的 CPU周期，不單獨(dú)占用時(shí)間。 不單獨(dú)占 CPU周