1、第三章 CPU子系统,主讲:姜立君,内容回顾,按指令功能分类(8086/8088)：数据传送指令算术运算指令逻辑运算和移位指令串操作指令输入/输出指令控制转移指令处理器控制指令,CPU基本组成时序控制方式,本次目标,3.1 概述,CPU的主要功能：执行指令，控制完成全机各项操作，包括运算操作、传送操作、输入/输出操作需要解决的4个关键问题：1、CPU由哪些部件组成？2、各部件之间如何交换信息？3、CPU如何建立与外部的连接？4、CPU如何形成控制命令序列，控制指令的执行？,3.1.1 CPU的基本组成,CPU通常包含运算部件、寄存器组、微命令产生部件、时序系统等主要部件，由总线连接，实现信息交
2、换。其中运算部件和一部分寄存器属于传统运算器部分，另一部分寄存器、微命令产生部件、时序系统等则属于传统控制器部分,1、运算部件,主要任务：对操作数进行加工处理。 主要组成：输入逻辑算术、逻辑运算部件ALU输出逻辑,1、运算部件,(1)、输入逻辑,输入逻辑运算部件设置了两个输入逻辑，它们可以是选择器或暂存器，分别选择两个操作数参加运算。操作数可以来自各种寄存器，也可以来自CPU内部的数据线,(2)、算术、逻辑运算部件ALU,ALU全称：Arithmetic Logic Unit是运算部件的核心，完成具体的运算操作。主要部件就是一个加法器，负责对两个操作数进行求和运算。,(3)、输出逻辑,输出逻辑
3、运算结果可以直接送到接收部件，也可以经左移或右移后送出。所以输出逻辑往往具有移位功能，常用移位门实现,运算部件的设置直接影响计算机的运算功能，按硬件设置高低，大致分为4种情况：1、只设置一个ALU2、设置一个ALU，并配合时序控制3、设置一个ALU，且将定点乘除部件和浮点部件作为基本配置4、设置多种运算部件,1、运算部件,2、寄存器组,按所存信息的类型分类：通用寄存器组 暂存器指令寄存器(IR) 程序计数器(PC)程序状态字寄存器(PSW)地址寄存器(MAR)数据缓冲寄存器(MBR),(1)、通用寄存器组,这是一组可由CPU通过程序访问的寄存器，自身的逻辑一般很简单，也比较统一，甚至可以是一些
4、小规模存储单元。通过编程与运算部件的配合，可以指定实现多种功能，故称之为通用寄存器。,(2)、暂存器,暂存器没有编号，不能被CPU直接编程访问。设置暂存器的目的是为了暂时存放某些中间过程所产生的信息，避免破坏通用寄存器的内容,(3)、指令寄存器,指令寄存器用来存放当前正在执行的指令，它的输出包括操作码信息、地址信息等，是产生微命令的主要逻辑依据。,(4)、程序计数器,程序计数器(PC)也称指令计数器或指令指针，用来指示指令在存储器中的存放位置,(5)、程序状态字寄存器,程序状态字寄存器(PSW)用来记录现行程序的运行状态和指示程序的工作方式 主要包括2部分：1、特征位：不可编程2、编程设定位：
5、可编程设定,(6)、MAR与MBR,设置地址寄存器(MAR)用来存放被访单元的地址。设置数据缓冲寄存器(MBR)用来存放CPU与主存之间交换的数据。MAR和MBR是连接CPU与主存的桥梁，设置这两个寄存器使CPU与主存之间的传送通路变的比较单一，容易控制。这两个寄存器不能直接编程访问，对用户透明。,3、微命令产生部件,计算机形成控制流与数据流两大信息流可执行程序的最终形态是指令序列，各条指令往往需要分步执行。微命令产生部件可由若干组合逻辑电路组成，也可由专门的存储逻辑组成。产生微命令的方式可分为组合逻辑控制方式和微程序控制方式两种,4、时序系统,周期、节拍、脉冲等信号称为时序信号产生时序信号的
6、部件称为时序发生器或时序系统，它由一个振荡器和一组计数分频器组成。,5、CPU内部的数据通路结构,采用内部总线的数据通路结构，这种方式能使结构简单，较有规律和便于控制 典型结构：1、单组内总线、分立寄存器结构2、单组内总线、集成寄存器结构3、多组内总线结构,5、CPU内部的数据通路结构,5、CPU内部的数据通路结构,3.1.2 时序控制方式,定义：计算机的操作与时序信号之间的关系 分类：同步控制方式：指用统一发出的时序信号对各项操作进行同步控制。异步控制方式：指各项操作不受统一时序信号的约束，而是根据实际需要安排不同的时间。,1、同步控制方式,主要特点：时钟周期作为基本时序单位，固定不变 优点
7、：时序关系简单，时序划分规整，控制不复杂，控制部件在结构上易于集中，设计方便。 缺点：在时间安排上可能不合理，对时间利用不经济。,2、异步控制方式,主要特点：在异步控制所涉及的操作范围内，没有统一的时钟周期划分和同步定时脉冲 优点：时间安排紧凑、合理，能按不同部件不同设备的实际需要分配时间。 缺点： 控制比较复杂,3、同步控制在实际应用中变化,在实际应用中，常结合两者优点使同步控制发生变化。表现为： 1、不同指令安排不同的时钟周期数 2、总线周期中允许插入延长周期 3、同步方式中引入异步应答,3、同步控制在实际应用中变化,3、同步控制在实际应用中变化,3、同步控制在实际应用中变化,CPU基本组成时序控制方式,本次总结,
