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北航计算机组成原理讲义

计算机组成原理

(2011级)

北航计算机学院 刘旭东© 、肖利民

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第五部分 CPU与控制单元设计

一、CPU的功能与组成

二、数据通路设计

三、指令执行流程分析

四、硬布线控制器设计

五、微程序控制器

六、MIPS数据通路设计

七、流水线技术简介

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1.1 CPU的功能与组成

CPU的功能：控制指令执行

取指令：从存储器中读出指令

 指令地址部件：指明当前要读取的指令在存储器中的地址

 指令寄存部件：保存从存储器中取来的指令

分析指令：分析指令的操作性质以及操作对象的位置(地址)

 译码部件：对指令进行译码

执行指令：实现指令应该具有的操作功能

 控制信号逻辑部件：根据指令的操作性质和操作对象的地址(

译码结果)，在时序信号配合下，产生一系列的微操作控制信

号，从而控制计算机的运算器、存储器或输入输出接口等部件

工作，实现指令所表示的功能。

 时序部件：提供计算机基准时序信号

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1.1 CPU的功能与组成

CPU的组成

执行单元( EU－Execution Unit)

 运算单元：算术逻辑运算单元(ALU )

 寄存器：通用寄存器组(GPRs)，标志寄存器(FR，又称程

序状态字PSW)，临时寄存器(TR )

控制单元 (CU－Control Unit )：

 指令地址部件：程序计数器(PC － Program Counter)

 指令寄存部件：指令寄存器(IR － Instruction Register)

 译码部件：指令译码器(ID － Instruction Decoder)

 微操作控制信号产生部件：产生计算机其他部件所需要的所有

微操作控制信号，有组合逻辑和微程序等实现方式。

 时序部件：产生时序信号

内部总线：CPU 内部数据通路(Internal Bus)

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1.1 CPU的功能与组成

CPU 内部结构(内部 CPU

单总线结构) 微操作控制信号

ALU GR 微操作信号 中

执行单元(EU) 发生器 断

MAR 系

控制单元(CU) A B MBR ID 统

EU PC

寄存器单元 IR CU

中断系统

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