基本组成与概念ppt课件.ppt

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1、第三章CPU子系统本章主要讨论:运算器控制器数据通路结构与外部的连接指令的执行过程CPU组成CPU工作原理第一节CPU概论CPU的基本功能:l数据加工:l时间控制:l操作控制:l指令控制:程序的顺序控制,称为指令控制。产生每条指令的操作信号,并将各种操作信号送往相应的部件,控制这些部件按指令的要求进行动作。对各种操作实施时间上的定时,称为时间控制。所谓数据加工,就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。3.1CPU的基本组成传统CPU的组成:现代的CPU的基本部分有:运算部件Cache控制器运算部件控制器(在诺曼机的定义

2、中)1、运算部件应能完成数据输入(参与运算的数据)应能对输入的数据进行运算(或加工)应能输出运算(或加工)后的结果因此运算器有以下构成:输出逻辑ALU输入逻辑操作数输入逻辑操作数运算结果(1)输入逻辑选择器或暂存器(2)算术逻运算部件①设置一个ALU,完成基本的加减运算,复杂运算由软件完成;②设置一个ALU,与相应时序电路配合,硬件完成定点乘除法运算;③设置一个ALU,但将乘除法和浮点运算部件作为ALU的基本配置;④配置多个运算部件(3)输出逻辑通常完成:直送、左右移位、字节交换等功能。2、寄存器组CPU内部需要若

3、干寄存器来存放需要加工、运算的数据、中间结果、最终结果等。(1)寄存器的两种基本组成独立结构寄存器由若干单独的寄存器构成小型RAM每一个单元作为一个寄存器使用....(2)寄存器的分类按寄存器存放的信息的类型(或使用的方式)进行分类(七类):①通用寄存器一般是指可以通过程序访问的、具有多种用途的寄存器,每一个通用寄存器有编号与之对应。作用如:存放数据(原始数据、中间结果、最终结果等),也可以存放地址进行间接寻址、变址寻址等。标识方法:不同的CPU可能各不相同。如:Intel8086的AX、BX、CX、DX、DI等PD

4、P-11小型机的R0、R1、R2等②暂存器暂存器不能通过程序访问,也没有编号。主要作用是存放指令执行过程中的中间信息。比如:从一个主存单元读数据存到另一个单元,则有以下过程单元暂存器单元;为运算器两个输入端提供数据,分两次将操作数送往两个不同的暂存器。③指令寄存器(IR)存放从存贮单元中读出的指令。一个指令寄存器存放一条指令,也可以设置一个指令队列,存放多条指令④程序计数器(PC、IC、IP)用于跟踪程序的地址。PC的初值为所要执行的程序的首地址。如果一条指令占据1个单元,则一条指令被读出以后,则进行:PC+1

5、PC操作;如果一条指令占据2个单元,则一条指令被读出以后,则进行:PC+2PC操作;依次类推。⑤程序状态字寄存器(PSW)用于记录程序指令过程中运行的状态和程序的工具方式。主要由以下两个部分构成:特征位进位位C:指令执行后,如果结果产生进位,则将C置为1,否则置0;溢出位V:如果运算结果产生溢出,则将V置为1,否则置0;零标志Z:如果运算结果为0,则将Z置为1,否则置0;正负标志N:如果运算结果为负,则将N置为1,否则置0;奇偶标志P:如果运算结果中1的个数为奇数,将P置为1,否则置0;(Intel8086

6、的规定与此相反)以上标志位的状态是由指令执行的结果决定的。PSW的另一部分状态的设置是由编程来决定,其典型的设置有:跟踪位T:称为断点标志,主要用于程序调试。如果编程时,将T置为1,且在程序中安排一条测试指令,当程序执行到该测试指令时,程序将转入测试程序。单步标志TF将单步标志置1,则程序每执行一条指令,就产生一次内部中断。其功能主要用于程序调试。中断允许标志或程序优先级字段:—中断允许标志I(或TI):根据当前运行程序与外部中断的紧要程度,处理器通过对该标志的设置,决定是否响应中断请求。—为每一程序和中断请求设置

7、优先级,仅当中断请求的优先级高于正在执行的程序的优先级,才响应中断请求。(在微型计算机中,一般采用前一种方式)⑥地址寄存器MARCPU访问存储器和访问I/O端口的地址首先存入MAR,再有MAR送往外部地址总线。⑦数据缓冲寄存器MBR(或MDR)用于暂存CPU与存储器和外设之间通信的数据。可以看出,MAR、MBR是CPU联系存储器和外设之间的桥梁,如下图所示:CPUMARMBR存储器I/O接口和设备3、微命令产生部件“第一章概论”中的描述:计算机工作过程:信息以电信号形式的流动流动过程是受控的受控的表现是:流动方向

8、流动时机流动时间控制过程的实现:电子开关器件这从指令执行的角度,指令执行过程:取指阶段(取指)指令分析阶段(译码)指令执行阶段(执行)程序下一条指令(可包含取操作数、运算、存结果、设置标志位等)每一步操作都需要相应控制信号,也需要相应的时序信号来控制操作的时间;上述的控制信号(命令)即称为微命令;因此需要