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1、CPU的功能及组成的功能及组成主讲：XXX一、导入一、导入 中央处理器（中央处理器（中央处理器（中央处理器（Central Processing UnitCentral Processing Unit）的缩写，即）的缩写，即）的缩写，即）的缩写，即CPUCPU，CPUCPU是电脑中的核心配件，是电脑中的核心配件，是电脑中的核心配件，是电脑中的核心配件，只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电只有火柴盒那么大，几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电只有火柴盒那么大，
2、几十张纸那么厚，但它却是一台计算机的运算核心和控制核心。电脑中所有操作都由脑中所有操作都由脑中所有操作都由脑中所有操作都由CPUCPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。二、新授二、新授1、CPU的功能n n指令控制（程序的顺序控制）指令控制（程序的顺序控制）n n操作控制（一条指令有若干控制信号实现）操作控制（一条指令有若干控制信号实现）n n时间控制（指令各个操作实施时间的定时）时间控制（指令各个操作实施时间的定时）n n数据加工（算术运算和逻
3、辑运算及其它非数值数数据加工（算术运算和逻辑运算及其它非数值数据的处理，数据的加工处理是据的处理，数据的加工处理是CPUCPU的根本任务）的根本任务）2、CPU的基本组成的基本组成n n传统的CPU由运算器和控制器组成。n n现在CPU的变成了运算器、cache和控制器三大部分。（寄存器）n nFPU（数字协处理器/浮点运算单元）：过去集成在CPU内，是为了提高CPU的浮点运算能力运算器:由由算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALUALU）、累加寄存器累加寄存器、数据缓冲寄存数据缓冲寄存器器和和状态寄存器状态寄存器、通用寄存器组通用寄存器组组成，它是数据加工处理组成，它是数据加工处理部件。部件。相对
4、控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。来指挥的，所以它是执行部件。主要功能：算术逻辑运算控制器：由由程序计数器程序计数器程序计数器程序计数器、指令寄存器指令寄存器指令寄存器指令寄存器、指令译码器指令译码器指令译码器指令译码器、时序发生器时序发生器时序发生器时序发生器和和操作控制器操作控制器操作控制器操作控制器组成，它是发布命令的组成，它是发布命令的“决策机构决策机构”，即完成协，即完成协调和指挥整个计算机系统的
5、操作。它的主要功能有：调和指挥整个计算机系统的操作。它的主要功能有：（1 1）从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；）从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；（2 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；）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 3）指挥并控制）指挥并控制CPUCPU、内存和输入、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。输出设备之间数据流动的方向。3、CPU中的其它部件中的其它部件数据缓冲寄存器（DR）程序计数器（PC）指令寄存器（IR）指令译码器（ID）地址寄存器（MAR）累加寄存
6、器（AC）状态寄存器（PSW）数据缓冲寄存器（DR）用来用来暂时存放暂时存放由内存储器读出的一条由内存储器读出的一条指令指令或一个或一个数据字数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据缓冲寄存器中。它们存放在数据缓冲寄存器中。作用：作用：（1 1）作为）作为CPUCPU和内存、外部设备之间和内存、外部设备之间信息传送的中转站信息传送的中转站；（2 2）补偿补偿CPUCPU和内存、外围设备之间在和内存、外围设备之间在操作速度上的差别操作速度上的差别；（3 3）在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可）在单累加器结
7、构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄兼作为操作数寄存器存器。返回程序计数器（PC）：用来确定下一条指令的地址用来确定下一条指令的地址 又称为又称为指令计数器指令计数器。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程。在程序开始执行前，必须将它的起始地址，即程序的一条指令所在的内存单元地址送入序的一条指令所在的内存单元地址送入PCPC，因此，因此PCPC的内容即是从内的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。当执行指令时，存提取的第一条指令的地址。当执行指令时，CPUCPU将自动修改将自动修改PCPC的内的内容，以便使其保持的总是容，以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址将要执行的下一
8、条指令的地址。由于大多数。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对指令都是按顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对PCPC加加1 1。但是，当遇到转移指令如但是，当遇到转移指令如JMPJMP指令时，那么后继指令的地址（即指令时，那么后继指令的地址（即PCPC的内的内容）必须从指令的地址段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的容）必须从指令的地址段取得。在这种情况下，下一条从内存取出的指令将由转移指令来规定，而不是像通常一样按顺序来取得。因此程指令将由转移指令来规定，而不是像通常一样按顺序来取得。因此程序计数器的结构应当是具有序计数器的结构应当是具有寄存信息寄存信息
9、和和计数计数两种功能的结构。两种功能的结构。返回指令寄存器（IR）：用来用来保存当前正在执行的指令保存当前正在执行的指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。返回指令译码器ID：分析、执行指令分析、执行指令的部件。的部件。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便试，以便识别所要求的操作识别所要求的操作。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。操作的特定信号。返回地址寄存器（MAR）地址寄存器用来地址寄
10、存器用来保存当前保存当前CPUCPU所访问的内存单元所访问的内存单元的地址的地址。当当CPUCPU和内存进行信息交换，即和内存进行信息交换，即CPUCPU向内存存向内存存/取取数据时，或者数据时，或者CPUCPU从内存中读出指令时，都要使从内存中读出指令时，都要使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。同样，如果我用地址寄存器和数据缓冲寄存器。同样，如果我们们把外围设备的设备地址作为像内存的地址单元把外围设备的设备地址作为像内存的地址单元那样来看待那样来看待，那么，当，那么，当CPUCPU和外围设备交换信息和外围设备交换信息时，我们同样使用时，我们同样使用 地址寄存器和数据缓冲寄存器。地址寄存器和数据缓
11、冲寄存器。返回累加寄存器（AC）累加寄存器累加寄存器ACAC通常简称为通常简称为累加器累加器，它是一个，它是一个通用寄存器通用寄存器。其功能是：当运算器的算术逻辑单元其功能是：当运算器的算术逻辑单元ALUALU）执行算术或逻）执行算术或逻辑运算时，辑运算时，为为ALUALU提供一个工作区提供一个工作区。累加寄存器。累加寄存器暂时存放暂时存放ALUALU运算的结果信息运算的结果信息。显然，。显然，运算器中至少要有一个累加运算器中至少要有一个累加寄存器寄存器。目前目前CPUCPU中的累加寄存器，多达中的累加寄存器，多达1616个，个，3232个，甚至更多。个，甚至更多。当使用多个累加器时，就变成通
12、用当使用多个累加器时，就变成通用寄存器堆结构寄存器堆结构，其中任，其中任何一个可存放源操作数，也可存放结果操作数。在这种情何一个可存放源操作数，也可存放结果操作数。在这种情况下，需要在指令格式中对寄存器号加以编址。况下，需要在指令格式中对寄存器号加以编址。返回状态寄存器（PSW）状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，如运算结果进位标志（C），运算结果溢出标志（V），运算结果为零标 志（Z），运算结果为负标志（N）等等。这些标志位通常分别由 1位触发器保存。三、学生练习三、学生练习1.1.运算器是对数据进行运算和操作的部件，即可进行运算器是对数据进行运算和操
13、作的部件，即可进行、运算。运算。2.ALU2.ALU是是的缩写。的缩写。3.3.控制器由控制器由 、组成。组成。4.CPU4.CPU中，保存当前正在执行的指令的寄存器为中，保存当前正在执行的指令的寄存器为。运算结果进位标志运算结果进位标志C C保存在保存在寄存器中。寄存器中。寄存器是用来表示寄存器是用来表示CPUCPU正在访问的内存单元地址。正在访问的内存单元地址。5.5.程序计数器中存放的是程序计数器中存放的是。四、教师点拔四、教师点拔1.1.运算器是对数据进行运算和操作的部件，即可进行运算器是对数据进行运算和操作的部件，即可进行、运算。运算。2.ALU2.ALU是是的缩写。的缩写。3.3.
14、控制器由控制器由 、组成。组成。4.CPU4.CPU中，保存当前正在执行的指令的寄存器为中，保存当前正在执行的指令的寄存器为。运算结果进位标志运算结果进位标志C C保存在保存在寄存器中。寄存器中。寄存器是用来表示寄存器是用来表示CPUCPU正在访问的内存单元地址。正在访问的内存单元地址。5.5.程序计数器中存放的是程序计数器中存放的是。地址寄存器地址寄存器MARPSWIDCPU内部结构框图五、巩固练习五、巩固练习一一.填空题填空题 1.1.算术逻辑运算结果通常放在算术逻辑运算结果通常放在和和中中.2.2.一般而言一般而言,CPU,CPU至少有至少有_,_,_,_,_,_,_,_,_和和_6_6
15、个寄存器个寄存器.二二.单项选择题单项选择题1.1.中央处理器指中央处理器指().).A.A.控制器控制器 B.B.控制器和主存控制器和主存 C.C.运算器和控制器运算器和控制器 D.D.运算器和寄存器运算器和寄存器2.2.下列逻辑部件中下列逻辑部件中,(,()不包括在运算器内不包括在运算器内.A.A.累加器累加器 B.B.状态条件寄存器状态条件寄存器C.C.指令寄存器指令寄存器 D.ALUD.ALU3.3.程序计数器的功能是程序计数器的功能是().).A.A.存放指令存放指令 B.B.存放下一条机器指令的地址存放下一条机器指令的地址 C.C.计算程序长度计算程序长度 D.D.存放微指令的地址存放微指令的地址4.4.状态寄存器用来存放状态寄存器用来存放().).A.A.算术运算结果算术运算结果 B.B.运算类型运算类型 C.C.逻辑运算结果逻辑运算结果 D.D.算术运算算术运算,逻辑运算及指令的状态结果逻辑运算及指令的状态结果5.5.运算器在运算的过程中运算器在运算的过程中,得到的标志位中没有得到的标志位中没有()A.A.进位标志位进位标志位 B.B.溢出标志位溢出标志位 C.C.零标志位零标志位 D.D.正数标志位正数标志位六、本节小结六、本节小结七、布置作业七、布置作业完成指导用书上本节的练习谢谢！谢谢！