计算机组成原理 第六章 中央处理器上

概述

功能

程序控制

完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制

操作控制

管理并产生指令的操作信号，送往相应部件，从而控制这些部件按照指令的要求进行动作

时序控制

对各种操作加以时间上的控制，为每条指令按照时间顺序提供应有的控制信号

数据加工

对数据进行算术和逻辑运算

中断处理

对异常情况和特殊请求进行处理

组成

运算器

含义

运算器接受从控制器送来的命令并执行相应的动作，对数据进行加工和处理

组成

算术逻辑单元ALU（核心）

主要功能是进行算术/逻辑运算

暂存寄存器

暂存从主存读来的数据，该数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏原有内容。暂存寄存器对应用程序员是透明的

累加寄存器

是一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果，可以作为加法运算的一个输入端

通用寄存器组

例如AX、BX等，用于存放操作数、各种地址信息等

程序状态字寄存器

保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息。例如溢出标志OF、符号标志SF、零标志ZF、进位标志CF等

控制器

含义

执行指令，每条指令的执行由控制器发出的一组微操作实现

操作控制器根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地选择数据通路，把有关数据打入到一个寄存器，从而完成取指令和执行指令的控制。

组成

程序计数器PC

用于指出下一条指令在主存中的存放位置，PC有自增功能

指令寄存器IR

保存当前正在执行的那条指令

指令译码器

对操作码进行译码，向控制器提供特定的操作信号

存储器地址寄存器MAR

存放将要访问的主存单元的地址

存储器数据寄存器MDR

存放向主存写入的信息或从主存读出的信息

时序系统

产生各种时序信号，由统一时钟CLOCK分频得到

时序产生器

含义

时序产生器用于协调计算机内部各个部件的操作，确保它们按照正确的时间顺序执行。

??? 操作控制器产生的控制信号必须定时，为此必须有时序产生器。时序产生器的作用，就是对各种操作信号实施时间上的控制。

组成

时钟源：提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。

环形脉冲发生器：产生有序的间隔相等或不等的脉冲序列，用于生成最终所需的节拍脉冲。

读写时序译码逻辑：用于控制数据的读写操作。

启停控制逻辑：控制时序信号的启停。

应用

测试系统：用于测试集成电路，特别是向量测试法的测试系统。

芯片开发：在数字逻辑电路中，时序产生器用于产生节拍脉冲，以控制时序逻辑电路的操作。

集成电路：在空间环境中，时序产生器对抗高能粒子的影响，确保集成电路的正常工作。

微信号操作发生器

根据IR、PSW及时序信号，产生各种控制信号

原理

控制器部件从数据总线接收指令信息，从运算器部件接收指令转移地址，送出指令地址到地址总线，还要向系统中的部件提供它们运行所需要的控制信号

功能

从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置

对指令进行移码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作

指挥并控制CPU、主存、输入和输出设备之间的数据流向

实现

硬布线控制器

采用时序逻辑技术实现

基本原理

基本架构

微程序控制器

采用存储逻辑实现

微程序设计需明确以下几个概念：

微程序

每条机器指令对应一段微程序, 这段微程序执行完毕, 该指令规定的功能也就完成了

微指令

微指令是指在微程序控制的计算机中，同时发出的控制信号所执行的一组微操作

微命令

构成控制信号序列的最小单位（即一条微指令中的每一位对应就是一种微命令）

CPU中的主要寄存器

⑴数据缓冲寄存器（DR）

用来暂存算数逻辑单元（ALU）的运算结果，或由数据存储器读出的数据字，或来自外部接口的数据字。

⑵指令寄存器（IR）

用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从指令 cache 存储器（简称指存） 中读出，然后再传送至指令寄存器。

⑶?? 程序计数器（PC）

用来确定下一条指令的地址，程序若是顺序执行的，则对 PC 加 1；若遇到转移指令，后继指令的地址（即 PC 的内容）必须从指令寄存器中的地址字段取得。

⑷ 数据地址寄存器（AR）

用来保存当前 CPU 所访问的数据 cache 存储器单元（简称数存）中的地址。由于要对存储器阵列进行地址译码，故必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到一次读/写操作完成为止。

?⑸通用寄存器

在 CPU 模型中，通用寄存器是当 ALU 执行算术或逻辑运算时，为 ALU 提供一个工作区。目前 CPU 的通用寄存器数量很多，需要在指令格式中对寄存器号加以编址。

⑹状态字寄存器（PSW）

保存由算术指令和逻辑指令运算或测试结果建立的各种条件代码，如运算结果进位标志（C），溢出标志（V），零标志（Z），负标志（N）以及中断和系统工作状态等信息。