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计算机组成原理及汇编语言CAI教学课件作者教师版—张思发第五章中央处理器(CPU)课件.pdf 41页
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计算机组成原理及汇编语言CAI教学课件作者教师版—张思发第五章中央处理器(CPU)课件.pdf
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中央处理器(CPU)
本章学习目标
中央处理器(CPU)相当于人体的大脑，是计算机工作的指挥和控制中心。
本章前面部分详细介绍了 CPU 的基本功能和控制方式、工作过程，组成原
理，时序产生器的组成，微程序控制器和硬布线控制器，传统的 CPU 结构。
后面部分，介绍流水 CPU、RISC CPU、多媒体 CPU等先进的计算机科学技术
CPU 的功能和结构
5.1.1 CPU 的功能
目前电子计算机的结构遵循“冯.诺依曼结构”的结构准则，该体系结构提出的存储程
序的概念分以下四点：1. 计算机应包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备五大部件。
2. 各部件的功能：(1) 存储器不仅能存储数据，而且能存储程序，计算机能区分数据和指
令。(2) 控制器能自动执行指令。(3) 运算器应能运算+、-、*、/等基本运算及附加运算。(4)
操作人员可以通过输入输出设备和主机互相通信。当我们用计算机解决某个问题时，编写程
序以二进制的指令序列形式存储在内存储器中。这个序列明确告诉计算机应该执行什么操
作，在什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装入内存储器，就可以由计算机来自动完
成取出指令和执行指令的任务。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。
CPU 对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能：(1) 指令
指令控制也称为程序的顺序控制，控制程序严格按照规定的顺序执行。(2) 操作控制
将取出的指令的产生一系列的控制信号(微指令)，分别送往相应的部件，从而控制这些部件
按指令的要求进行工作。(3) 时间控制
有些控制信号在时间上有严格的先后顺序，如读取存
储器的数据，只有当地址线信号稳定以后，才能通过数据线将所需的数据读出，否则读出的
数据是不正确的数据，这样计算机才能有条不紊地工作。(4) 数据加工
所谓数据加工，就是
对数据进行算术运算和逻辑运算处理。
5.1.2 CPU 的基本组成
以前 CPU 主要由运算器和控制器两大部分组成，随着集成电路的发展，目前 CPU 芯片
集成了一些其它逻辑功能部件来扩充 CPU 的功能，如浮点运算器、cache 和 MMX 等。下面
我们重点介绍运算器和控制器。CPU 组成图见图 5.1.1。
控制器的组成和功能
控制器由程序计数器、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
计算机指挥系统，完成计算机的指挥工作。尽管不同计算机的控制器结构上有很大的区别，
当就其基本功能而言，具有如下功能：
(1) 取指令
从内存中取出当前指令，并生成下一条指令在内存中的地址。
器 ·124·
(2) 分析指令 指令取出后，控制器还必须具有两种分析的功能。一是对指令进行译码或
测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。比如一次内存读/写操作，一个
算术逻辑运算操作，或一个输入/输出操作。二是分析参与这次操作的各操作数所在的地
址，即操作数的有效地址。
(3) 执行指令 控制器还必须具备执行指令的功能，指挥并控制 CPU、内存和输入/输出
设备之间数据流动的方向，完成指令的各种功能。
(4) 发出各种微操作命令 在指令执行过程中，要求控制器按照操作性质要求，发出各种
相应的微操作命令，使相应的部件完成各种功能。
(5) 改变指令的执行顺序
在编程过程中，分支结构、循环结构等非顺序结构的引用可以
大大提供编程的工作效率。控制器的这种功能可以根据指令执行后的结果，确定下一步是继
续按原程序的顺序执行，还是改变原来的执行顺序，而转去执行其它的指令。
(6) 控制程序和数据的输入与结果输出 这实际也是一个人机对话的设计，通过编写程
序，在适当的时候输入数据和输出程序的结果。
(7) 对异常情况和某些请求的处理
当计算机正在执行程序的过程中，发生了一些异常的
情况，例如除法出错、溢出中断、键盘中断等。
图 5.1.1 CPU 主要组成部分逻辑结构图
下面详细介绍控制器的各组成部件的功能与结构：
(1) 指令寄存器(IR)
当 CPU 执行一条指令时，先把它从内存储器取到缓冲寄存器中，然后再送到指令寄存
器。然后送到指令译码器部件，产生各种微操作指令，控制其它的组成部件工作，完成所需
(2) 程序计数器(PC)
为了保证程序能够周而复始、有条不紊地执行下去，CPU 必须具有某些功能保证在执
行完当前指令时能知道下一条指令的地址。而程序计数器(PC)正是起到这种作用，所以通常
又称为指令计数器。程序计数器工作分两种情况，一是顺序执行，二是转移执行。在程序开
始执行前，将程
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下列有关PC机中央处理器（CPU）和内存（内存条）的叙述中，错误的是______。A.
目前PC机所使用的Pentium和Core 2微处理器的指令系统有数百条不同的指令
所谓双核CPU或四核CPU，是指CPU由两个或四个芯片组成
DDR内存条、DDR2内存条在物理结构上有所不同，例如它们的引脚数目不同
通常台式机中的内存条与笔记本电脑中的内存条不同，不能互换
为什么B不对
作业帮用户
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双核或者四核都是指一个CPU里的一个芯片组。 在芯片组里有两个或者四个 作计算的软件 就叫核。。。 就类似于我们人类，我们只有一个大脑，但是有左半脑和右半脑一样。芯片组就是指人的大脑，双核或者四核是类似于左半脑和右半脑
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B双核四核都是一块芯片。集成多个微处理核心
选B，不管有几个物理核心，它们都是封装在同一个芯片里面的
因为AC,D都对B，几核的，是几个独立处理核心，而不是芯片
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计算机组成原理之中央处理器
&&计算机组成原理之中央处理器 CPU 简介
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计算机组成原理
中央处理器CPU
中国地质大学计算机学院
?CPU的功能和组成
?控制器控制原理
?指令周期（★★★）
?时序产生器和控制方式
?微程序控制器（★★★）
?微程序设计技术
?硬布线控制器
?流水线处理器
CPU 的组成和功能
?CPU的功能
?CPU的组成
?CPU中的主要寄存器
?操作控制器
?时序产生器
CPU 的功能
?取出指令并执行指令的部件CPU
?指令控制：指令执行的顺序控制;
?程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任
意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行。（首要
?操作控制:
产生各种操作信号;
?解释指令的操作码，通过若干操作信号组合控制来
实现指令功能。
?时间控制:
控制操作信号的发生时间;
?完成一条指令的若干操作信号定时，有序执行。
?数据加工:
算术/逻辑运算；（根本任务）
?异常处理：接收、控制、管理信号资源及异常情况。
CPU 的组成
?算术运算/逻辑运算
?累加器、状态条件寄存器、缓存寄存器、移码器、锁
存器、求补器等。
?从内存取出一条指令,并指出下条指令的地址
?对指令进行译码,产生相应的控制信号
?指挥并控制CPU, 内存和I/O设备之间的数据传送
?程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器
、操作控制器、地址寄存器等。
CPU 中的主要寄存器
?PC(Program Counter)程序计数器
?AR(Address Register)地址寄存器
?DR(Data Register)数据缓冲寄存器
?IR(Instruction Register)指令寄存器
?AC(Accumulate Count)累加寄存器
?PSW (Program Status Word)程序状态字
?为了保证程序能够连续地执行下去，CPU如何确定下一条
指令的地址？
?程序计数器，又称指令计数器。在程序开始执行前，首先
将起始地址，即程序的第一条指令所在的内存单元地址送入
PC，因此PC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，CPU将自动修改PC的内容，以便使其保持
的总是将要执行的下一条指令的地址。由于多数指令都是按
顺序来执行的，修改的过程通常只是简单的对PC加1。
?当遇到转移指令如JMP指令时，那么后继指令的地址（即
PC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
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