第六章中央处理器6.1CPU的功能和组成6.1.1CPU的主要功能6.1.2CPU的基本组成和结构6.2指令周期6.2.1指令周期的基本概念6.2.2指令周期分析举例6.2.3指令周期流程图6.3时序信号和时序产生器6.3.1时序信号的基本概念6.3.2控制器的控制方式6.3.3时序产生器的组成及工作原理6.4硬布线控制器6.4.1硬布线控制器的结构及工作原理6.4.2操作控制信号的设计6.4.3指令周期控制6.1CPU的功能和组成6.1.2CPU的基本组成和结构1．运算器运算器是计算机的数据处理中心。运算器主要由ALU、通用寄存器组和状态条件寄存器PSW（也称处理器状态字）组成。2．中断系统CPU中的中断系统一般包含中断允许与禁止、接受中断请求和给予中断响应等功能。3．总线接口总线接口是CPU与外部的系统总线的接口，用以实现与存储器和外围设备进行信息传送。CPU的总线接口主要由存储器地址寄存器MAR、存储器数据寄存器MDR和总线控制逻辑组成。4．内部数据通路内部数据通路是CPU内部的数据传送通路，用于在寄存器之间或寄存器与ALU之间传送数据。5．外部数据通路外部数据通路一般借助系统总线，将寄存器（MAR和MDR）与存储器和I/O模块连接起来。6．控制器控制器是计算机的控制中心，计算机中其他组成部分的工作，都是在控制器的控制下进行的。控制器的任务，就是按照程序的安排，对其中的各条指令依次进行处理，直到程序结束。指令的一般处理过程是：⑴取指令。把本次要执行的一条指令从存储器中取出。⑵分析指令。对指令的操作码进行译码，确定指令的操作功能，并根据寻址方式特征，计算出操作数的有效地址。⑶执行指令。根据指令的操作需要，按规定的时间关系发出一系列操作控制信号，使有关的部件或设备执行所需的操作，以完成一条指令的操作功能。重复以上过程，就可以执行完整个程序。为了完成程序的执行，控制器需要有以下主要组成部件：⑴程序计数器（PC）。PC用于提供将要执行的下一条指令的地址。⑵指令寄存器（IR）。IR用于存放从存储器取出的指令。⑶指令译码器（ID）。ID用于对指令的操作码进行识别，以确定指令的操作功能。⑷操作控制器。操作控制器用来产生计算机运行所需的各种操作信号。⑸时序产生器。时序产生器用于产生定时信号；定时信号的作用，是对操作控制器产生的操作信号实施时间上的控制。根据设计方法不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器两种。下图所示，为控制器的一般模型。归纳起来，控制器所控制的操作无外乎以下几类：⑴将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器。⑵将数据从一个寄存器传送到一个外部接口（如系统总线接口）。⑶将数据从一个外部接口传送到一个寄存器。⑷以寄存器作为输入和输出，完成一个算术或逻辑运算。由此可见，控制器所控制的大多数操作都是数据传送操作，而数据传送是通过内部或外部的数据通路进行的，因此，控制数据在数据通路上正确传送，是控制器的主要工作。一个未采用内部总线的简化的CPU模型，如下图中虚线下方所示。【例6.1】指令“ADDA”的功能为(AC)+(A)→A，其中，AC是累加器，地址码A为直接寻址方式。试在图6.2的CPU模型上，完成这条指令从取指令开始的全部处理过程，写出每一步操作及所需的操作控制信号。解：分析CPU模型可知，从存储器取出的指令是先装入MDR，然后再从MDR装入IR的，因此，指令中的地址码可以直接从MDR传送到MAR。指令“ADDA”的全部处理过程列于下表中。指令“ADDA”的处理过程图6.2一个采用内部总线的CPU模型如下图所示。【例6.2】指令“ADDR0,(R2)”的功能为(R0)+((R2))→R0，其中，源操作数采用寄存器间接寻址方式，目标操作数采用寄存器寻址方式。试在图6.3的CPU模型上，完成这条指令从取指令开始的全部处理过程，写出每一步操作及所需的操作控制信号。解：指令“ADDR0,(R2)”的全部处理过程列于下表中。指令“ADDR0,(R2)”的处理过程实际的CPU中，为了加快数据传送，可能会增加内部总线的数量，如采用双总线结构或三总线结构等。无论何种结构的CPU，要掌握其工作原理，以下四个方面是关键：⑴弄清CPU的基本组成部件及其作用；⑵弄清CPU各组成部件之间的关系；⑶弄清CPU各组成部件之间的数据通路及控制方法；⑷注意避免数据通路在使用时发生冲突（即出现同时争用数据通路的现象）。6.2指令周期计算机中通常定义一个标准时间单位来统一所有基本操作的时间，这个标准时间单位称为机器周期，也叫CPU周期。归纳起来，CPU的基本操作种类有：⑴在寄存器之间传送数据。⑵在寄存器与存储器或I/O端口之间传送数据（即做一次存储器或I/O端口