2022年2022年计算机的工作原理 .pdf

《2022年2022年计算机的工作原理 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年2022年计算机的工作原理 .pdf（10页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、* * 第三章 计算机的工作原理3.1 计算机的结构特点一、冯 .诺伊曼体系结构冯 .诺依曼结构计算机的组成和工作原理。特点：1、 由运算器、存储器、控制器和I/O 设备组成；2、 指令和数据以同等地位存放在存储器中，按地址寻访；3、 指令和数据均以二进制表示；4、 指令由操作码和数据组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数存放在存储器中的地址；5、 指令在存储器中顺序存放，顺序执行，特定情况下根据条件改变执行的顺序；6、 机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器完成。二、中央处理器(CPU) 的组成1、运算器：运算器由算术逻辑部件(ALU) 和一些寄存器

2、组成，是直接进行数据交换和运算的部件；2、控制单元：控制单元用来指挥和控制程序和数据的输入、运行和处理。3、寄存器：寄存器组：用于存储数据；累加器 (ACC) ：提供给ALU 的两个操作数之一，并存储计算结果；标志寄存器 (FR)：用于存储某些重要的状态和特征，每个状态用一位标志；程序寄存器：用于存放下一条要执行指令的地址码；指令寄存器：存放当前要执行的指令，由指令译码器进行译码，确定应进行什么操作，通过操作控制器产生相应的控制信号。地址寄存器、数据寄存器。4、协处理器：三、冯 .诺伊曼结构的演化1.控制部件设计的多样化a)用逻辑电路设计实现；b)微程序设计实现。CPU 输入 /输出设备运算器

3、控制器存储器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - * * 2.采用总线结构总线：是连接各部件的一组公共信号线，是传送信号和代码的公共通道。所谓总线实际上就是一组信号连线，每个计算机部件都要与这组信号向相连，每根信号线只有两个状态，高电平和低电平。总线CPU内存I/OI/O这种总线称为外部总线或系统总线，系统总线中的信号线根据其功能的不同又可以分为三类：1)数据总线：用来传输各功能部件之间的数据信息，是双向传输总线，位

4、数与机器字长有关；2)地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存中的地址，是单向传输总线，地址总线的个数与存储器单元的个数有关，称为寻址能力；3)控制总线：用来发出各种控制信号的传输线，每一根控制总线是单向的。常见的控制总线有： 1）时钟， 2）复位， 3）中断请求， 4）存储器读、写，5）I/O 读、写。CPU内存I/OI/O数据总线地址总线控制总线由于数据总线是双向总线，每个部件都可以向数据总线上发出数据信号，也可以接收数据总线上数据信号。同一时刻只能有一个部件发出数据信号，其它部件可以接收数据信号。一般来说，每一次的数据传输都是CPU 与某一个特定的部件之间的数据传输，其它部件

5、需要与数据总线“断开”，这就需要有一个三态门来实现。输入输出控制端控制端输入输出0 0 0 0 1 1 1 0 高阻抗1 1 高阻抗利用三态缓冲器就可以实现器件与总线之间的“开”和“关”，输入和输出分别与器件和总线的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - * * 数据线相连，控制端由控制线和地址线组合逻辑产生。同样利用三态缓冲器也可以实现双向的数据总线。（P47，图 3.4）3.以存储器为中心现代计算机已经从以运算器为

6、中心转化为以存储器为中心。存储器用来存放数据和程序。主存储器可以分为随机存储器(RAM) 和只读存储器(ROM) 。主存储器通过数据总线、地址总线和控制总线同CPU 相连。对主存储的操作分为两种：读操作和写操作。读操作是从存储器中取出信息的过程；写操作时将信息写入存储器的过程。在主存储器中包含大量的存储单元，每个存储单元可以存储一个数据，数据长度可以是8 位，16 位， 32 位或 64 位。CPU 每一次只能对存储器中的一个存储单元进行读操作或写操作，CPU 通过地址总线将一组地址信号发送到地址译码器，地址译码器译出该地址，选中相应的存储单元，然后CPU 在发出一个读信号或写信号，读写信号用

7、来控制数据传送的方向。（参考图3.4 中的 C1 和 C2 信号）CPU 对存储器的读写过程参考p48,p49，图 3.5 和 3.4。4.输入 /输出系统功能的加强3.2 指令系统前面我们了解了计算机的基本结构，那么我们如何指挥计算机来完成某项工作哪？这就需要向计算机（ CPU）发出一系列的指令，CPU 执行这些指令来完成某项工作。一般来说CPU 只能完成一些简单的、基本的操作， 每一个基本操作称作一个指令，CPU 所能够执行的所有指令是有限的，这些指令构成的集合称为指令系统。每一个 CPU 的指令系统都是不同的。一、指令系统的基本概念机器指令： 命令机器做某种操作的一条语句称为一个机器指令

8、。指令是 CPU 唯一能识别的语言。指令在计算机内部是以2 进制的数码来表示的，位数可以是8 位、 16 位、 32 位等等。每一条指令的执行一般都是由一个特定的硬件电路或一组硬件电路来实现。指令系统：全部机器指令的集合称为指令系统。二、指令格式操作码操作数/ 操作数地址操作码：是一条指令的操作类型或作用；操作数：代表需要处理的数，或参与操作数的地址。在一条指令中，操作码有且只能有一个，而操作数可以不止一个，也可以一个没有。有些计算机系统中要求每条指令的位数是相同的，有些计算机系统中指令的位数可以是不同的，一般来说操作码的位数是相同的，而操作数的位数有可能不同。对一个包括n 位的操作码来说，最

9、多可以表示2n条指令。三、指令系统实例某计算机系统中，指令字长为16 位，操作码为8 位，操作码为8 位，ACC 为寄存器，累加器。8 位地址总线， 16 位数据总线。操作码意义助记符00H 加， A + NUMA ADD A, NUM( 数字 ) 01H 减， A NUMA SUB A, (ADDR) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - * * 02H 乘， A * ADDR存储单元中的数据A MUL A, (A

10、DDR) 03H 除， A / ADDR 存储单元中的数据A DIV A, (ADDR) 04H 逻辑与， A and NUMA AND A, NUM 05H 取数，将一个数取到A 中LD A，NUM 06H 存数，将 A 中的数保存到ADDR 存储单元中MOV (ADDR), A 07H 停机STOP 下面我们来编制程序实现：25x6x7(5x6)x7，其中 x 存放在 07H 存储单元中，计算结果保存在08H 单元中。内存地址内存单元的内容(机器语言程序 ) 完成功能助记符(汇编语言程序 ) 00H 0505H A5 LD A, 5 01H 0207H AA*x MUL A, (07H)

11、02H 0006H AA+6 ADD A, 6 03H 0207H AA*x MUL A, (07H) 04H 0007H AA+7 ADD A, 7 05H 0608H (08H)A MOV (08H),A 06H 0700H 停机STOP 07H X 0BH 结果3.3 中央处理器 (CPU) 一、 CPU 的基本结构微操作控制单元指令译码器指令寄存器数据缓冲寄存器数据总线地址寄存器程序计数器 PC地址总线寄存器组运算器ALU+11)数的存储：寄存器、锁存器、存储器名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理

12、 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - * * 寄存器/锁存器/存储器输入数据线输出数据线锁存信号/写信号输出允许/读信号2)累加器AC：运算之前保存一个操作数，运算之后保存运算结果，CPU 中可以有一个或多个累加器；3)通用寄存器组：可以用来保存数据，也可以参与计算，存取非常速度快，但一般数量不多；4)标志寄存器：用来记录CPU 当前运行的一些状态，如加减法的进位，溢出，计算结果的正负，运算结果是否为0 等等；5)程序计数器PC：存放下一条要执行的指令的地址码；6)地址寄存器AR：与地址总线相连，给出操作内存单元的地址；7)指令寄存器IR：

13、保存取出的指令码；8)数据缓冲寄存器DR：与数据总线相连，保存要写入内存的数据或从内存中读出的数据；9)指令译码器：解释指令码的意义。二、 CPU 的基本操作名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - * * 微操作控制单元指令译码器指令寄存器数据缓冲寄存器地址寄存器程序计数器 PC寄存器组运算器ALU+1CPU05H05H00H06H06H08H07H地址译码器.0001020304050608控制读/写地址总线数据总线

14、内存1)取指令： PC 地址地址寄存器地址总线控制单元读信号数据总线数据缓冲寄存器指令寄存器译码器操作单元PC 地址 +1 2)读数据：地址码地址寄存器地址总线CU读信号数据总线数据缓冲寄存器ACC 3)写数据：地址码地址寄存器地址总线ACC数据缓冲寄存器数据总线CU写信号举例：计算 5+6，结果保存在08H 的存储单元中助记符操作码操作数说明LD A, 5 05H 05H 将 5 取入寄存器A ADD A, 6 00H 06H A 加上 6 存入 A 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -

15、 - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - * * MOV (8), A 06H 08H A 存入存储单元8 STOP 07H 00H 停机CPU 工作过程：取操作码取操作数取操作码取操作数执行加法取操作码取操作数存数停机三、 CPU 的控制器和机器时钟CPU 取指令、取操作数、存数等等的一系列的操作都可以分解为若干个微操作，同时需要CU发出相应的信号来指挥CPU 中的各个部件，以及CPU 外部的各个部件协调工作。时序：正确执行一条指令时，为该条指令中的每个微操作所安排的时间表称为时序。计算机中的时间最基本的单位是机器时钟，由机器时钟可以产生出多个周期。时钟周期

16、：一个时钟信号的周期称为时钟周期；机器周期： CPU 完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期；指令周期： CPU 完成一条指令所需要的时间称为指令周期。指令周期取指令指令译码执行指令3.4 CPU 控制器的设计问题一、 CPU 控制器的设计方法1、 数字逻辑设计方法指令寄存器指令译码器组合逻辑电路时序发生器 指令码外部控制信号控制信号时钟、复位微操作控制微操作：每条指令的执行过程可以分解为若干个小的操作，其中每个操作称为一个微操作。比如：加法需要进行如下一系列操作：ACC加法器；地址码地址寄存器地址总线；数据总线数据缓冲寄存器加法器；加法器进行加法运算；结果ACC 。设计方法：1)分解每一条

17、指令为若干个微操作；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - * * 2)为每个微操作设计逻辑电路；3)每一条指令的控制电路由若干个微操作的逻辑电路组合而成。缺点：1)设计过程复杂，各条指令之间的微操作有许多是相同的；2)CPU 一经设计好，很难改变功能。2、 微程序设计方法指令寄存器指令译码器微指令地址形成逻辑微指令地址寄存器指令微程序起始地址微指令地址译码驱动电路指令的微程序只读存储器控制码微指令地址形成状态条件后继

18、微指令地址微命令信号CLK内存微指令：将每个微操作看作是一条指令，称为微指令；微程序：每条指令可以看作是一段微程序；将每条指令的微程序存放在CPU 内部的存储器中，称为控制存储器，一条指令的执行相当于执行一段相应的微程序。优点：1)设计过程相对简单，相当于把硬件设计的一部分转化为软件设计；2)改变 CPU 的功能非常方便，只需修改控制存储器中的微程序即可。二、流水线技术1、 流水线的基本概念：1)流水线的思想：每条指令的执行都可以分为若干个步骤。早期的CPU 指令是串行执行的，现代的CPU 是将这些步骤重叠执行。无流水线 CPU 的执行过程：取指译码执行取指译码执行取指译码执行 第一条指令 第

19、二条指令 第三条指令3 级流水线 CPU 的执行过程：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - * * 取指译码执行取指译码执行取指译码执行第一条指令第二条指令第三条指令2)流水线：是指把一个重复的处理过程分解成若干个子处理过程，每个子过程可以与其它的子过程同时进行处理。3)8086CPU 的流水线结构：8086 将 CPU 分为两个部件： 执行部件EU 和总线接口部件BIU 。BIU 中有一个16 字节的指令队列， 当

20、队列中出现2 个以上的空字节时， BIU 自动从总线上读入指令填入队列。当遇到转移指令时，EU 向 BIU 发出控制信号和新地址，BIU 清除队列中的内容，重新装入指令码。ALU执行控制电路EU地址形成部件6字节指令队列BIU系统总线4)7 级流水结构：现代的微处理器一般采用7 级流水线。取指令指令译码地址形成取操作数操作执行写结果修改指令指针2、 流水线的种类：指令流水线和数据流水线。3、 流水线的问题：1)控制相关；2)部件相关；3)数据相关。三、 RISC 技术CISC ，复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer) ；RISC ，简化指令系统计

21、算机(Reduced Instruction Set Computer) 。CISC 系统的问题：对复杂指令系统的解释和设计导致CPU 结构复杂，流水线技术不容易实现，提高 CPU 的频率有困难。RISC 系统的问题：对编译器的要求比较高，汇编程序不容易看懂。RISC 的特点：大多数指令是单机器周期指令，指令周期= 机器周期。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - * * 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -