ADD R1, R2
；（6）→ R1
；（R1）+（R2）→R2 ； 101 → PC
104
105
STO R2, (R3) ；（R2）→( R3 )
JMP 101
106
6
AND R1, R3
……
100
5.2.2 MOV指令的指令周期
MOV R0, R1
MOV指令的指令周期——取指
MOV指令的指令周期——执行
1个 CPU 周期
ABUS：地址总线 DBUS：数据总线 IBUS：指令总线
1个 CPU 周期 1个 CPU 周期 公操作符号。表示一条指令已执行完毕， CPU取下一条指令或处理外设请求。
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【例1】下图所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程 序计数器(具有自增功能)，M为主存(受R/W信号控制)，AR为地址寄存器， DR为数据缓冲寄存器， ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制 信号G控制的是一个门电路。另外，线上标注有小圈表示有控制信号，例 中yi表示y寄存器的输入控制信号，R1o为寄存器R1的输出控制信号，未标 字符的线为直通线，不受控制。 (1)“ADD R2 ， R0” 指令完成 (R0)+(R2)→R0 的功能，画出其指令周期流程图 （设指令地址已放入PC中），并列出相应的微操作控制信号序列。 (2)“SUB R1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，画出其指令期流程图，并列 出相应的微操作控制信号序列。
（Central Processing Unit）
• 5.1.1 CPU的功能 • 5.1.2 CPU的基本组成 • 5.1.3 CPU中的主要寄存器
• 5.1.4 操作控制器与时序产生器
5.1.1 CPU的功能
★ 指令控制
保证机器按程序规定的顺序取出执行 控 制 器
★ 操作控制
CPU产生每条指令对应的操作信号，并把操作信号送往 相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作
1 微命令和微操作
数字计算机可以分为：控制部件和执行部件
–控制器 –运算器、存储器、外围设备(IO设备)
状态线
V
W
微操作
主存 Ready
微操作
运算器
+
﹣
微命令
控制器
控制线
R
IO设备
微操作
控制部件与执行部件通过控制线和反馈信息进行联系。
5.4.1 微命令和微操作
▲ 微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种
第5章 中央处理器
☆ ☆ ☆ ☆ ☆
计算机组成原理
5.1 CPU的组成和功能
☆ 5.7 ☆ 5.8
流水CPU
5.2 指令周期
5.3 时序产生器和控制方式
RISC CPU
5.9 多媒体CPU
5.4 微程序控制器
5.5 硬连线线控制器 5.6 传统CPU
5.1 CPU的功能和组成
中央处理器是控制计算机自动完成取出指令和执行指令 任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为CPU
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5.2.3
LAD指令的指令周期
LAD R1, 6
一个CPU周期 一个CPU周期 一个CPU周期 开始
取指令 PC+1
装入通用 寄存器
取下条指令 PC+1
对指令 译码
送操作 数地址
取出操 作数
取指令阶段
执行指令阶段
LAD指令的指令周期——执行
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5.2.4
ADD指令的指令周期
ADD R1, R2
控制命令。
▲ 微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。 ▲ 微操作可分为相容性和相斥性两种。 在同时或同一个CPU周期 内可以并行执行的微操作 不能在同时或同一个CPU 周期内并行执行的微操作
◆ ALU的“+”、“﹣”、“M”（传送）为互斥微
操作。
◆ 通常，只有不同部件上的微操作，才可能相容！
5.4.1 微命令和微操作
IORQ MREQ RD WE T1 T2 T3 T4
启动
启停控制逻辑
MERQ’
停机
IORQ°
MREQ°
RD° WE° T1° T2° T3° T4°
RD’
节拍脉冲和读写时序译码逻辑
IORQ’
WR’
译码产生原始的节拍 脉冲和读写时序信号
环形脉冲发生器
▲
Φ
时钟脉冲源
产生一组有序的间隔相等 或不等的脉冲序列
（1）加法 “ADD R2，R0”
PC→AR 取指 M→DR DR→IR
（2）减法 “SUB R1，R3”
PCo，G，ARi
R/W=R DRo，G，IRi PC→AR M→DR DR→IR
PCo，G，ARi
R/W=R DRo，G，IRi
R2→Y R0→X Y+X→R0
R2o，G，Yi R0o，G，Xi +，G，R0i
◆ 时钟周期 : 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若
干个T周期。（节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的时间 ） 相互关系： 1个指令周期 = 若干个CPU周期 1个CPU周期 = 若干T周期
5条典型指令构成的简单程序
101 MOV R0, R1 ；（R1）→R0
102
103
LAD R1, 6
从时间上来说:
◆ ◆
取指发生在指令周期的第一个CPU周期; 取数发生在后面几个CPU周期，即 “执行指令”阶段。
从空间上来说:
◆ 送指令寄存器IR —指令 ◆
送运算器 — 数据。
5.3.1
时序信号的作用和体制
计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则用时序信号来体现。
•主状态周期（指令周期）： 包含若干个节拍周期，可以用一 个触发器的状态持续时间来表示。 •节拍电位（机器周期）：表示一个CPU 周期的时间，包含若 干个节拍脉冲。 •节拍脉冲（时钟周期）：表示较小的时间单位。
进位触发器 相斥性
多路开关的 控制信号
相斥性
时钟输入
相容性
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2
微指令和微程序
微指令 ：在一个 CPU 周期中，一组实现一定操作功
能的微命令的组合。
微程序：实现一条机器指令功能的许多条微指令组
成的序列。
1 1、微命令2、 微命令n） 微指令（微命令 完成一组微操作 指令1微程序1微指令2 指令系统＝所有指令； 程序 指令＝微程序； 微指令n 微程序＝若干微指令； 指令2微程序2 微指令＝一组微命令； 指令n微程序n
6. 状态条件寄存器（PSW）
保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码
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5.1.4 操作控制器与时序产生器
• • 操作控制器：在各寄存器之间建立数据通路。 数据通路：寄存器之间传送信息的通路。
•
操作控制器的功能 : 根据指令操作码和时序信号， 产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通 路，从而完成取指令和执行指令的控制。 根据设计方法不同，操作控制器可分为：
判别测试，修改微 地址寄存器内容 a＋ b a ＋ b＋ 6 测试进位 标志Cy a＋b＋6－6
000 100 000 100 001 000 100 001 000 00000 11111 第一条微指令的二进制编码： 010 第三条微指令的二进制编码： 第二条微指令的二进制编码： 00 1001 01 10 0000
提供频率稳定且电平匹配 的方波时钟脉冲信号 ▲ 由石英晶体振荡器组成
节 拍 脉 冲 信 号 CPU周期 CPU周期
5.3.3
1. 同步控制方式
控制方式
控制器的控制方式：控制不同操作序列时序信号的方法。
已定的指令在执行时所需的 CPU周期（机器周期）数和 (1)采用完全统一的机器周期执行 时钟周期数都固定不变。 各种不同的指令。
1. 硬布线控制器 采用时序逻辑技术来实现 2. 微程序控制器 采用存储逻辑来实现
•
•
时序产生器：产生计算机所需要的时序控制信号
5.2 指令周期
• 5.2.1 指令周期的基本概念
• 5.2.2 MOV指令的指令周期
• 5.2.3 LAD指令的指令周期
• 5.2.4 ADD指令的指令周期
• 5.2.5 STO指令的指令周期微命令→源自操作微命令信号都是节拍电位信号
微指令的格式
判别测试标志
＊发出控制全机工作的控制信号。 ＊每一位表示一个微命令。 ＊
用来决定产生下一条 微指令的地址。
“1” —发出微命令； “0” —不发出微命令。
′
′
′
微程序举例——十进制加法
• 在十进制运算时 , 当相加二数之和大于 9 时 , 便产生进位。 而采用BCD码后，当相加的和数大于9时，结果不正确， 必须加6修正后才能得出正确的结果。 取指 •算法：先将和数加6，然后判别结果有无进位： 当Cy＝1，结果不变；当Cy＝0，结果减6。
2. 异步控制方式 (2)采用不定长机器周期。
控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操 作后发“回答”信号，再开始新的操作。
(3)中央控制与局部控制结合。
3. 联合控制方式
同步控制和异步控制相结合的方式。
情况（1）：大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些时间 难以确定的操作则以执行 “回答”信号作为本次操作的结束； 情况（2）：机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器 周期数不固定。
• 5.2.6 JMP指令的指令周期
• 5.2.7 用方框图语言表示指令周期
5.2 指令周期
• 指令的执行过程
开始
取指令
执行指令
5.2.1 指令周期的基本概念