第21讲第8章CPU的结构和功能(8.1-8.2)

计算机组成原理课程教案（第21次课）章节名称第8章CPU的结构和功能（8.1~8.2）课时安排第11周2学时授课方式理论课教学环境及教具准备有投影仪的教室PPT多媒体教学课件教学目的让学生对CPU在计算机中的地位和作用有深入的理解，掌握CPU的结构设计思想和时序系统中的指令周期概念教学重点CPU的功能和硬件组成；CPU工作周期和指令周期的概念教学难点一个完整的指令周期中的信息流程设计教学基本内容是否重、难点方法及手段8.1CPU的结构8.1.1CPU的功能8.1.2CPU结构框图8.1.3CPU的寄存器8.1.4控制单元和中断系统8.2指令周期8.2.1指令周期的基本概念8.2.2指令周期的数据流了解重点重点了解了解重点&难点多媒体讲解多媒体讲解举例讲解多媒体讲解多媒体讲解多媒体讲解教学过程与设计复习旧课：RISC的主要特征有哪些？引入新课：指令的“生命周期”过程经历哪些阶段？分别与哪些硬件“成分”有关？8.1CPU的结构8.1.1CPU的功能使用CPU可以自动完成取出指令和执行指令的任务。CPU的基本功能：指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制。操作控制：管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种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。时间控制：对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。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。处理中断：对突发的、意外的事件进行处理。8.1.2CPU结构框图传统CPU的组成：运算器、控制器。现代的CPU的基本部分有：运算器、Cache和控制器。（1）CPU与系统总线CPU具有指令控制（PC，IR）、操作控制+时间控制（CU，时序电路）、数据加工（ALU，寄存器）、处理中断等功能。动画演示P338页图8.1使用系统总线的CPU。FLASH动画演示CPU结构图。问题1：控制器的组成和主要功能？控制器的组成：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。控制器的主要功能：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。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。指挥并控制CPU、内存和输入／输出设备之间数据流动方向。（2）CPU的内部结构展示P338页图8.2CPU的内部结构。运算器的组成：算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器。运算器的主要功能：执行所有的算术运算。执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。问题2：运算器的组成和主要功能？这一章的主要内容是控制器的讲解。8.1.3CPU的寄存器CPU中最基本的六类寄存器：指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、缓冲寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、状态条件寄存器（PSW）。（1）用户可见寄存器通常CPU执行机器语言访问的寄存器为用户可见寄存器。问题3：什么叫用户可见寄存器？按其特征又可分为以下几类：通用寄存器：可存放操作数、可作某种寻址方式所需的专用寄存器。数据寄存器：存放操作数（满足各种数据类型）、两个寄存器拼接存放双倍字长数据。地址寄存器：存放地址，其位数应满足最大的地址范围；用于特殊的寻址方式，如段基值、栈指针。条件码寄存器：存放条件码，可作程序分支的依据，如正、负、零、溢出、进位等。（2）控制和状态寄存器主要用于控制CPU的操作或运算，它们大部分对用户是透明的。其中MAR、MDR、IR用户不可见，PC用户可见。IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令。PC：程序计数器，存放现行指令的地址，通常具有计数功能。MAR：存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储单元的地址。MDR：存储器数据寄存器，用于存放欲存入存储器中的数据或最近从存储器读出的数据，它起缓冲作用。状态寄存器：存放条件码。PSW寄存器：状态条件寄存器，存放程序状态字（条件码和其他状态信息）。举例：8086、MC68000寄存器组织。问题4：什么叫对用户是透明的？8.1.4控制单元和中断系统控制单元（CU）是提供完成计算机全部指令操作的微操作命令序列的部件。现代计算机中微操作命令序列的形成方法有两种：一种是组合逻辑设计方法，为硬布线逻辑；另一种是微程序设计方法，为存储逻辑。控制单元（CU）详见第9章和第10章。中断系统主要用于处理计算机的各种中断，详见8.4。8.2指令周期8.2.1指令周期的基本概念存储器中指令和数据的区分，使用的是指令周期的方法。指令周期是取出并执行一条指令的时间，由于各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周期是不尽相同的。P342页图8.6示意多种指令周期的比较。指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称为机器周期。通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。一个CPU周期时间又包含有若干个时钟周期。通常情况下，取出和执行任何一条指令所需的最短时间为两个CPU周期。P343页图8.7示意具有间址周期的指令周期。动画演示P343页图8.8包含间址周期、中断周期的指令周期流程。问题5：如何理解CPU工作周期的标志？8.2.2指令周期的数据流（1）取指周期的数据流动画演示P344页图8.10取指周期的数据流。（2）间址周期的数据流动画演示P344页图8.11间址周期的数据流。（3）执行周期的数据流由于不同的指令在执行周期的操作不同，因此执行周期的数据流是多种多样的。FLASH动画演示五条指令序列表示。（4）中断周期的数据流CPU进入中断周期要完成一系列操作，其中PC当前的内容必须保存起来，以待执行完中断服务程序后可以准确返回到该程序的间断处。动画演示P345页图8.12中断周期的数据流。FLASH动画演示五条指令的取指和执行过程。实验内容实验六微控制器实验1．掌握时序信号发生电路组成原理。2．掌握微程序控制器的设计思想和组成原理。3．掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。课内练习PPT多媒体教学课件后的课堂练习题课外作业P370页教材课后练习题8.4、8.5考核要求1.本章考试题型主要有：选择题、填空题、简答题、设计应用题2.本章主要考核CPU的功能和组成、指令周期、指令流水原理、中断响应条件及中断周期CPU操作、超标量和超流水线技术的概念参考资料[1]白中英.计算机组成原理（第四版.立体化教材）.科学出版社,2012[2]唐朔飞.计算机组成原理学习指导与习题解答.高等教育出版社,2010[3]李淑芝.计算机组成原理考研指定教材习题解答.自编,2013[4]李淑芝,欧阳城添,等.计算机组成原理实验指导书(2013版),自编,2013教学后记学生通过CPU的结构和功能章节的学习，能够真正体会到计算机系统“繁杂”的内部世界需要一个“大脑”来总控指挥，协调各部件按序工作、软硬件配合，结合大量动画和图片能更形象直观地理解