1、第六章 中央处理器6.1中央处理器的结构与功能6.1中央处理器的结构与功能 计算机系统中，中央处理器CPU（Central Processing Unit）是计算机工作的指挥和控制中心。CPU主要负责读取程序中的每条指令，解释并执行指令，实现指令规定的功能，是计算机系统的核心部件。6.1中央处理器的结构与功能 中央处理器是由运算器和控制器两大部分组成的。控制器的主要功能是从内存取出指令，对指令进行译码，产生相应的操作控制信号，控制计算机的各个部件协调工作。运算器接受控制器的命令进行操作，完成所有的算术运算和逻辑运算。控制器是整个系统的操控中心。在控制器的控制之下，运算器、存储器和输入输出设备等
2、部件构成一个有机的整体。6.1中央处理器的结构与功能 早期的计算机中，由于器件集成度低，运算器和控制器是两个相对独立的部分。随着大规模集成电路和超大规模集成电路技术发展，微型计算机中，运算器和控制器集成在一块芯片上，称为微处理器。而在中型机、大型机和巨型机中，仍保持相对独立的地位。6.1.1中央处理器的功能（1）指令控制。程序由一个指令序列构成，这些指令必须按照程序规定的顺序执行。CPU必须对指令执行进行控制，保证指令序列的执行结果的正确性。（2）操作控制。一条指令的功能一般需要几个操作步骤完成，每个步骤产生若干个控制信号送往相应的部件。控制器必须控制这些操作步骤的实施，包括各控制信号之间时间
3、上的控制。（3）数据处理。根据指令功能对数据进行算术运算或逻辑运算等操作。这个功能由运算器完成。（4）中断和异常处理。对CPU内部出现的意外情况等进行处理，如运算中的溢出，以及外部设备中断请求处理等。6.1.2中央处理器的基本结构 按冯诺依曼型计算机结构，计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大功能部件组成。运算器和控制器构成了CPU。CPU和内存储器构成主机。6.1.2中央处理器的基本结构 在这个主机框架图中，虚线左侧是主存储器，虚线右侧是中央处理器CPU。主存储器外部有地址总线和数据总线。CPU内部各模块通过一条公共总线相连，是内部总线。存储器总线经由存储器数据寄存器MDR和
4、存储器地址寄存器MAR连到CPU内部数据总线。6.1.2中央处理器的基本结构 存储器地址寄存器MAR用来保存当前CPU所访问的内存单元地址。由于CPU和内存之间有速度差异，所以必须使用地址寄存器来保存地址信息，直到内存读写操作完成。存储器数据寄存器MDR是CPU和主存及外部设备之间信息传送的中转站。当通过数据总线向存储器或外部设备存取数据时，数据暂时存放在MDR中，因此也称为数据缓冲器。6.1.2中央处理器的基本结构主存储器中存放数据和指令。CPU要从主存读取数据或指令，则必须给出该数据的主存单元地址到MAR中，并向存储器发送读操作信号，然后等待数据从主存读出并存放到存储器总线的数据总线上。C
5、PU读主存储器时发出的读信号定义为RM。CPU要向主存写入数据，则必须给出主存单元地址到MAR中，然后通过存储器地址总线选中要访问的单元，同时把数据送到存储器数据寄存器MDR中，再送到存储器数据总线，最后向存储器发送写操作信号，然后等待数据写入到主存单元中。CPU写主存储器时发出的写信号定义为WM。主存储器完成读写操作会向CPU发送存储器操作完成信号MFC（Memory Function Completed）。6.1.2中央处理器的基本结构（1）通用寄存器组 每一个CPU内部都会设置一些通用寄存器，用于保存运算数据或运算结果。在图6-1所示的计算机中，n个寄存器名称为R0Rn-1。这些寄存器需
6、要有数据输入输出的控制信号。数据输入寄存器的控制信号定义为Rnin，数据输出寄存器的控制信号定义为Rnout。6.1.2中央处理器的基本结构（2）运算器运算器包括算术逻辑单元ALU和暂存器。ALU完成各种算术运算和逻辑运算。暂存器用于暂存ALU运算的数据和结果。在图6-1所示的计算机中，Y是ALU的输入暂存器，存放一个需要ALU运算的数据。Z是ALU的输出暂存器，存放ALU运算后的结果。暂存器Y有2个控制信号，数据输入Y的控制信号定义为Yin，数据输出Y的控制信号定义为Yout。暂存器Z有2个控制信号，数据输入Z的控制信号定义为Zin，数据输出Z的控制信号定义为Zout。ALU有多种运算，控制
7、信号比较多，图6-1所示计算机中简化这些控制信号，其中+表示ALU加法控制信号，-表示ALU减法控制信号，1-C0表示ALU低位进位置1的控制信号。6.1.2中央处理器的基本结构（3）控制器 控制器是CPU中的重要部件。在图6-1所示的计算机中，控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、时序产生电路和控制逻辑电路等组成。6.1.2中央处理器的基本结构程序计数器PC（Program Counter），又称指令指针IP（Instruction Pointer），用来提供读取指令的地址。有些计算机中PC存储当前正在执行的指令的地址，而有些计算机中PC用来存放即将执行的下一条指令的地址。
8、PC具有置数和增量计数功能。在程序执行前，必须将程序的起始地址送入PC。当指令执行的时候，PC的值自动增量，以指向后继指令的地址。如果遇到改变顺序执行程序的情况，则由转移类指令将转移地址送往程序计数器PC，作为下一条指令的地址。程序计数器PC的操作控制信号有PCout、PC+1、PCin。PCout信号用于控制PC送出存放的指令地址到存储器地址总线，以便读取指令。PC+1信号用于控制PC实现地址增量操作。PCin信号用于往PC中置入新的指令地址。6.1.2中央处理器的基本结构 指令寄存器IR（Instruction Register），用于存放当前正在执行的指令代码。目前大多数计算机都将指令寄
9、存器扩充为指令队列，允许预取若干条指令。指令寄存器的操作控制信号有IRin和IRout。IRin用于完成指令写入IR寄存器操作。IRout用于完成从IR读出指令，送往指令译码器操作。指令译码器ID（Instruction Decode），对指令的操作码部分进行分析解释，产生相应的控制电位发送给控制逻辑电路。6.1.2中央处理器的基本结构 时序产生电路，用于产生计算机需要的时序信号。计算机高速自动运行，每一个操作都必须遵循严格的时间规定。计算机操作运行的时间顺序称为时序。计算机加电启动后，在时钟脉冲的作用下，CPU根据当前正在执行的指令的要求，利用定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，有条理有节奏地指
10、挥机器各个部件进行相应的操作。控制逻辑电路根据指令功能，在指定的时间及状态条件下，正确给出控制各功能部件正常运行所需要的全部命令，并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号。6.1.3中央处理器的控制流程（1）取指令 程序指令存放在内存储器中。程序计数器PC中的指令地址传送到存储器地址寄存器MAR，再发送到内存地址总线，控制器发送读操作信号RM，从内存中读出指令到存储器数据总线，存入存储器数据寄存器MDR中，再经由内部数据总线，送入指令寄存器IR中。（2）分析指令 指令寄存器IR中的指令，送入指令译码器ID。在指令译码器ID中，按照指令格式进行分析、解释，识别指令要进行的操作，以及根据寻址方
11、式形成操作数地址等，之后产生相应的操作命令。6.1.3中央处理器的控制流程（3）执行指令 根据指令分析阶段得到的操作命令和操作数地址，形成相应的操作信号序列。这些操作信号序列送到需要操作的运算器、存储器以及外部设备，使相应的部件工作完成指令的功能。（4）异常和中断处理 计算机出现某些异常情况，如算术运算溢出等，或者某些外部设备发出“中断请求”信号，那么在执行完当前指令后，CPU要停止当前的程序，转去处理这些异常的中断服务程序。当处理完毕后，再返回原程序继续运行。计算机中控制器就这样周而复始地取指令、分析指令、执行指令，再取指令、再分析指令、再执行指令直到程序结束或出现外来的干预为止。6.1.4
12、中央处理器的时序控制方式 CPU执行一条指令实质上是由控制器依据指令的功能，送出一系列的控制信号，完成指令的功能。指令功能不同，控制器发送的控制信号和发出的时间也不同。这就必须考虑用怎样的时序方式控制。一般而言，有3种时序控制方式：同步、异步和联合控制方式。6.1.4中央处理器的时序控制方式（1）同步控制方式 系统有一个统一的时钟，所有控制信号均由这统一的时钟源产生。同步方式的时序信号通常由周期、节拍、脉冲组成。这种方式下，各种类型的指令都规定其机器周期数和每个周期的节拍数。控制器发送的控制信号，具有固定的频率和宽度，以时钟脉冲为基准。同步控制方式的优点是时序关系比较简单，控制部件在结构上易于
13、集中，设计简单，时序电路易于共用，因而成本低。在CPU内部及其他设备内部，广泛采用同步控制方式。但是由于各项操作所需时间不同，却安排在统一而固定的时钟周期内完成，就要根据最长的操作时间来设计时钟周期宽度，这就存在时间上的浪费。6.1.4中央处理器的时序控制方式（2）异步控制方式 异步控制方式，根据各操作的具体需要来安排时间，不受统一时序的控制。一条指令需要多少节拍，就产生多少节拍。前一操作执行完毕，发送“就绪”信号作为下一操作的“起始”信号。异步控制方式下，没有固定的周期节拍和严格的时钟同步，信号的形成电路分散在各功能部件中。异步控制方式比同步控制方式效率高，但是硬件实现较为复杂。6.1.4中央处理器的时序控制方式（3）联合控制方式 将同步和异步控制方式结合起来的控制方式称为联合控制方式。把各操作序列中那些可以统一的部分，安排在一个固定周期、节拍和严格时钟同步的时序控制下执行。而难以统一，甚至执行时间都难确定的操作按照实际需要占用操作时间，通过握手信号和公共的同步控制部分衔接起来。
