计算机组成原理课程设计-概念模型计算机

机的运算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。

物理结构

CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。 逻辑部件

英文Logic components；运算逻辑部件。可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。

寄存器

寄存器部件，包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。 通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，它们用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。 通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。

控制部件

英文Control unit；控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。

CPU内部结构图

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3.2 算术逻辑单元ALU

算术逻辑单元（Arithmetic&logical Unit）是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由\（与门） 和\（或门）构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二位元的算术运算，如加减乘(不包括整数除法)。基本上，在所有现代CPU体系结构中，二进制都以补码的形式来表示。

（1）算术逻辑单元ALU的功能及组成

某些处理器中，将ALU切分为两部分，即算术单元 （AU）与逻辑单元（LU）。某些处理器包含一个以上的AU，如，一个用来进行定点操作，另一个进行浮点操作。（个人计算机中，浮点操作有时由被称为数字协处理器的浮点单元完成）。

通常而言，ALU具有对处理器控制器、内存及输入输出设备的直接读入读出权限。输入输出是通过总线进行的。输入指令包含一个指令字，有时被称为机器指令字，其中包括操作码，单个或多个操作数，有时还会有格式码；操作码指示ALU机要执行什么操作，在此操作中要执行多少个操作数。比如，两个操作数可以进行比较，也可以进行加法操作。 格式码可与操作码结合，告知这是一个定点还是浮点指令；输出包括存放在存储寄存器中的结果及显示操作是否成功的设置。如操作失败，则在机器状态字中会有相应的状态显示 。

通常，输入操作数、操作数、累加和以及转换结果的存储位置都在ALU中。在算术单元中，乘除操作是通过一系列的加减运算得到的。在机器码中有多种方式用以表示负数。在逻辑单元中，每次执行16个可能的逻辑运算中的一个。ALU的设计是处理器设计中的关键部分，仍在不断研究如何提高指令的处理速度。

（2）算术逻辑单元ALU结构图

3.2.3 CPU模型机设计图

ALU内部电路图 5

模型机设计图

各部件功能为：

1．LDPC 微程序控制器输出的PC加1信号。

2．LOAD 微程序控制器的输出信号。LOAD＝0时，PC程序计数器处于并行置数状态；LOAD＝1时，PC处于计数状态。

3．ALU－BUS 微程序控制器的输出信号，控制运算器的运算结果是否送到总线BUS，低电平有效。

4．PC－BUS 微程序控制器的输出信号，控制程序计数器的内容是否送到总线BUS，低电平有效。

5．R0－BUS 微程序控制器的输出信号，控制寄存器R0的内容是否送到总线BUS，低电平有效。

6．SW－BUS 微程序控制器的输出信号，控制8位数据开关SW7－SW0的开关量是否送到总线，低电平有效。

7．LDR0 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入寄存器R0。 8．LDDR1 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂存器DR1。 9．LDDR2 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂存器DR2。 10．LDIR 微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据（指令）输入到指令寄存器IR中。

3.3 CPU指令执行

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CPU指令：能被计算机理解并执行的基本操作命令

计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-----分析指令-----执行指令。

指令执行流程图

指令和数据都是用二进制编码形式存储，运行和运算的程序在计算机中的执行原理：启动任务时，执行任务的程序和数据从外存传送到内存CPU从内存中取出程序（指令序列）放入CPU控制器中的指令寄存器，把内存中的数据取出放入CPU的寄存器中控制器中的译码器解释指令，产生操作控制信号④操作控制器命令运算器工作⑤运算器从寄存器中取出数据进行运算，并把结果传回寄存器，运算中的中间结果也都存放在寄存器中⑥操作控制器命令寄存器把运算后的数据传回内存⑦任务完成后，操作控制器命令内存将数据传回外存永久保存。(注：整个过程中有I/O系统参与，程序计数器功能不明)

3.4指令系统

（1）所要设计的微程序控制器是由七条指令来完成的，即：load，sta，add，sub，and1，nop，jmp。实现功能分别如下：load指令是公操作，实现取数据的功能；sta指令实现存操作；add指令实现加法操作；sub指令实现减法操作；and指令实现与操作； nop指令实现空操作；jmp指令实现无条件跳转操作。

其中add，sub，and1，属于双操作数指令，其指令格式如下图： 操作码 寄存器号 寻址方式 寄存器号 寻址方式

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