2021计算机考研:计算机组成原理知识点CPU的功能和基本结构

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CPU的功能和基本结构

CPU主要是由运算器和控制器组成,由于运算器部分在第二部分介绍过,所以本节主要介绍控制器的组成和工作原理。

1.控制器的功能

计算机对信息进行处理(或计算)是通 过程序的执行而实现的,程序是完成某个确定算法的指令序列,要预先存放在存储器中。控制器的作用是控制程序的执行,它必须具有以下基本功能:

1).取指令

2).分析指令

3).执行指令

计算机不断重复顺序执行上述三种基本操作:取指、分析、执行;再取指、再分析、再执行,如此循环,直到遇到停机指令或外来的干预为止。

4).控制程序和数据的输入与结果输出

根据程序的安排或人的干预,在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命令来完成I/O功能,这实际上也是通 过执行程序来完成的。

5).对异常情况和某些请求的处理

当机器出现某些异常情况,诸如算术运算的溢出和数据传送的奇偶错等;或者某些外来请求,诸如磁盘上的成批数据需送存储器或程序员从键盘送入命令等,此时由这些部件或设备发出:

(1)“中断请求”信号。

(2)DMA请求信号。

2.控制器的组成

根据对控制器功能分析,得出控制器的基本组成如下:

1).程序计数器(PC)

即指令地址寄存器。在某些计算机中用来存放当前正在执行的指令地址;而在另一些计算机中则用来存放即将要执行的下一条指令地址;而在有指令预取功能的计算机中,一般还需要增加一个程序计数器用来存放下一条要取出的指令地址。

有两种途径来形成指令地址,其一是顺序执行的情况,通 过程序计数器加“1”形成下一条指令地址(如存储器按字节编址,而指令长度为4个字节,则加“4”)。其二是遇到需要改变顺序执行程序的情况,一般由转移类指令形成转移地址送往程序计数器,作为下一条指令的地址。

2).指令寄存器(IR)

用以存放当前正在执行的指令,以便在指令执行过程中,控制完成一条指令的全部功能。

3). 指令译码器或操作码译码器

对指令寄存器中的操作码进行分析解释,产生相应的控制信号。

在执行指令过程中,需要形成有一定时序关系的操作控制信号序列,为此还需要下述组成部分。

4).脉冲源及启停线路

脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲,是机器周期和工作脉冲的基准信号,在机器刚加电时,还应产生一个总清信号(reset)。启停线路保证可靠地送出或封锁时钟脉冲,控制时序信号的发生或停止,从而启动机器工作或使之停机。

5).时序控制信号形成部件

当机器启动后,在CLK时钟作用下,根据当前正在执行的指令的需要,产生相应的时序控制信号,并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号。例如,当执行加法指令时,若产生运算溢出的异常情况,一般不再执行将结果送入目的寄存器(或存储单元)的操作,而发出中断请求信号,转入中断处理;又如执行条件转移指令时,根据不同的条件产生不同的控制信号,从而进入适当的程序分支。

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