计算机组成原理——中央处理器

5.1.1CPU的功能

专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理器，通常简称CPU。

1.CPU四方面的基本功能:指令控制，操作控制，时间控制，数据加工

5.1.2CPU的基本组成

运算器和控制器是组成CPU的两大核心部件。

控制器 出程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控测器的主要功能有：

(1)从指令cache中取出一条指令，并指出下条指令在指令cache中的位置。

(2)对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。

(3)指挥并控制CPU、数据cache和输入/输出设备之间数据流动的方向。

运算器由算术逻辆运算单元(ALU)、通用态存器、数据缓冲寄存器(DR)和程序状态字寄存器(状态条件寄存器，PSWR)组成，它是数据加工处理部件。

运算器有两个主要功能：

(1)执行所有的算术运算。

(2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零测试或两个值的比较。

5.1.3 CPU中的主要寄存器

各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但是在CPU中至少要有六类奇存器，如图5.1所示。这些寄存器是：数据缓冲寄存器(DR)，指令寄存器(IR)，程序计数器(PC)，数据地址寄存器(AR)，通用寄存器(R0-R3)，程序状态字寄存器(PSWR)。

(1)数据缓冲寄存器(DR)数据缓的者有器对来暂时有放ALU的运算结果，或由数据在储器读出的一个数据字，或来自外部接口的一个数据字，缓冲寄存器的作用:

①作为ALU运算结果和通用寄存器之间信息传送中时间上的缓冲：

②补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。

（2指令寄存器(IR)直径寄存器用来保存当前正在执行的一条抬令，当执行一条指令时，先把它从很令存伴基(简称指在)读出，然后再传送至指令寄车器，洁令划分为操作码和地址码字段，中二进制数字组成。为了执行任何给定的扫令，必须对摸作码进行甚试。以受识别要求的操作，一个叫像指令详码落的部修就是做这项工作的，指令寄在器中投有书字段OP的输出就是行令详码器前输入，操作码一经详码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。

（3）程序计数器(PC）为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须只有某些手段来确定下一条很令的地址。而理序计数器(PC)正是起到这种作用，所以它又称为指令计数器。

（4）数据地址寄存器(AR)

(5)通用寄存器

(6)程序状态字寄存器(PSWR)

5.2指令周期

5.2.1指令周期的基本概念

1、指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。

2、指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期又称为机器周期。CPU访问一次内存所花的时间较长，因此通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。

3、单周期 CPU和多周期 CPU单周期CPU在一个时钟周期内完成从指令取出到得到结果的所有工作，指令系统中所有指令执行时间都以最长时间的指令为准，因而效率低，当前较少采用。多周期CPU把指令的执行分成多个阶段，每个阶段在一个时钟周期内完成，因而时钟周期短，不同指令所用周期数可以不同。以下仅讨论多周期CPU。