计算机组成原理 马辉 第6章

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1、第6章CPU的功能与结构本章导读本章对CPU的情况进行整体说明，首先介绍CPU的功能和基本组成结构，其中包括CPU的内部结构框图，内部寄存器结构，中断情况和CPU内的数据通路结构。然后对CPU的外部特性进行介绍，并举例说明CPU的引脚情况与功能定义。本章要点CPU的功能CPU的基本结构数据通路的功能数据通路的基本结构6.1CPU的功能中央处理器（CPU）是计算机系统的核心组成部件，它包括运算器和控制器两大部分。在早期的计算机中，器件集成度低，运算器与控制器是两个相对独立的部分。随着大规模、超大规模集成电路

2、技术的发展，逐渐趋向于将CPU作为一个整体。在微型计算机中，已将CPU集成为一块芯片，称为微处理器。计算机能自动执行存放在主存中的程序。程序是指令的有序集合，计算机每执行一段程序，就可完成一定的功能。具体执行过程是：计算机从主存中取出一条指令，按指令操作码及指令中的其他有关信息执行以实现指令所要求的功能，然后按顺序递增或转移指令要求的目的地址，从主存中取出下一条指令……重复上述过程，直至停机指令为止。中央处理器就是专门用于完成上述功能的计算机部件。CPU在计算机系统的运行中起着重要的作用，它具有如下四个方

3、面的基本功能。（1）指令控制，即控制指令的执行顺序。CPU必须对指令的执行顺序进行控制，正确产生下一条指令在内存中的地址，以保证指令序列正确执行。（2）操作控制，即指令内操作信号的控制。一条指令的功能一般需要若干个操作信号的组合来实现，因此，CPU必须管理并产生由内存取出的每条指令所要求的操作信号，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。（3）时间控制，计算机中各指令的操作信号均受时间的严格定时，一条指令的整个执行过程也受到时间限制。而CPU对各种操作实施时间上的定时，就称为时

4、间控制。（4）数据加工，即对数据进行算术和逻辑运算，完成加工处理，这是CPU的根本任务。另外，CPU通常还要求能实现异常处理，如运算中的溢出等错误情况处理，以及处理外部设备的服务请求等。这些功能归纳起来实质上只有两个：一是执行程序，完成某一任务；二是对异常的处理。执行程序即一条条执行指令。异常处理由中断机构完成，最终也要执行指令，所以处理指令和中断是中央处理机的最本质特点。6.2CPU的基本结构6.2.1CPU的结构框图6.2.2CPU的寄存器结构6.2.3控制单元与中断系统6.2.4CPU内部数据通路6

5、.2.1CPU的结构框图根据CPU的功能不难设想，要处理指令，CPU内就要有一个寄存器存放指令的地址以找到指令并实现取指令，还要有控制部件能分析指令的功能并发出指令需要的操作控制信号，还要有相应的算术逻辑运算部件ALU完成具体的运算。要处理异常情况和特殊请求，就必须有中断系统。可见，CPU可由四大部分组成。图6-1CPU内部结构框图在图6-1中，考虑到CPU内部各部件间有数据信息的传送，所以也画出了内部的数据总线。其中ALU部分的内容已在第3章作了详细说明，在此，我们用图6-2来表示基本的运算器部件结构。

6、图6-2基本的运算部件结构基本运算部件包括ALU、多路选择器和移位器。沿数据流向，大致分为三级：第一级为多路选择器，决定哪一种数据送往ALU；第二级为ALU，由功能选择命令选择ALU完成的运算功能；第三级是移位器，由输出选择对输出结果进行移位控制。6.2.2CPU的寄存器结构CPU中的寄存器大致可分两类：一类属用户可见寄存器，用户可对这类寄存器编程使用，或通过优化使CPU因使用这类寄存器而减少对主存的访问次数；另一类属控制和状态寄存器，用户不可对这类寄存器编程，它们被控制部件使用，以控制CPU的操作，也可

7、被带有特权的操作系统程序使用，从而控制程序的执行。1、用户可见寄存器通常CPU执行机器语言访问的寄存器为用户可见寄存器，按其特征又可分为以下几类：（1）通用寄存器通用寄存器可由程序设计者指定许多功能，可用于存放操作数，也可作为满足某种寻址方式所需的寄存器。（2）数据寄存器数据寄存器用于存放操作数，其位数应满足多数数据类型的数值范围，有些机器允许使用两个连续的寄存器存放双倍字长的值。还有些机器的数据寄存器只能用于保存数据，不能用于操作数地址的计算。（3）地址寄存器地址寄存器用于存放地址，其本身可以具有通用性

8、，也可用于特殊的寻址方式。地址寄存器的位数必须足够长，以满足足够大的寻址范围。（4）条件代码寄存器这类寄存器中存放条件码，它们对用户来说是部分透明的。条件码是CPU根据运算结果由硬件设置的位，常用的有N、Z、V、C等。条件码可被测试，作为分支运算的依据。此外，有些条件码可被直接置位或复位。2、控制和状态寄存器CPU中还有一类寄存器用于控制CPU的操作或运算。在一些机器里，大部分这类寄存器对应用程序员是透明的。如以下四种寄存器在