3、电子计算机的工作原理08.pptVIP

第三章 电子计算机的工作原理 3.1 电子计算机的结构特点 一、冯.诺伊曼体系结构 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： 包括寄存器组，累加器(ACC)，标志寄存器(FR)，程序计数器(PC)，指令寄存器(IR)，地址寄存器(AR)，数据缓冲寄存器(DR)； 三、冯.诺伊曼结构的演化 1、控制部件设计的多样化 逻辑电路设计实现； 微程序设计实现。 2、采用总线结构 分散连接的方式使得输入输出设备无法变动 早期交换数据必须通过运算器 利用三态缓冲器使得总线上的设备或器件分时工作 计算机的系统总线结构 总线：是连接各部件的一组公共信号线，传送信号和代码的公共通道。 系统总线的分类： 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，位数与机器字长有关； 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数量有关，称为寻址能力； 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。 3、以存储器为中心 现代计算机已经从以运算器为中心转化为以存储器为中心； 3.2 指令系统 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； 指令系统：全部机器指令的集合称为指令系统。 指令系统是软硬件的主要界面，不同处理器对应不同的指令系统 二、指令格式 三、指令（编码）系统实例 3.3 中央处理器(CPU) 一、CPU的基本结构 二、CPU的基本操作 三、CPU的控制器和机器时钟 一、CPU的基本结构 1、数的存储：寄存器、锁存器、存储器 2、累加器ACC：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，存取速度非常快，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：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 1、取指令 2、读数据 3、写数据 取指令 1、PC地址?地址寄存器?地址总线 2、控制单元?读信号 3、数据总线?数据缓冲寄存器?指令寄存器?译码器?操作单元 4、PC地址+1 读数据 1、地址码?地址寄存器?地址总线 2、CU?读信号 3、数据总线?数据缓冲寄存器?ACC 写数据 1、地址码?地址寄存器?地址总线 2、ACC?数据缓冲寄存器?数据总线 3、CU?写信号 三、CPU的控制器和机器时钟 控制器：在时钟节拍下，按照每一条指令对应的各个基本操作发出相应控制信号，驱动各功能部件有序工作完成规定的操作内容。 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。 时钟周期：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。 (一)、CPU控制部件的设计方法 数字逻辑设计方法 将指令系统中每条指令对应的同一种微操作归纳综 合，考虑执行这一微操作的所有电路要求和时钟要求， 用数字逻辑电路加以实现。 组成：门电路、寄存器。 微程序设计方法 将由硬件电路设计方法形成的指令操作步骤改用微程序来控制。 1、数字逻辑设计方法 数字逻辑方法的设计步骤 分解指令为若干个微操作； 将各微操作对应到指令周期的不同时钟中去； 采用普通的逻辑电路设计方法，设计出操作控制线路； 每个控制线路的输出是一个微操作控制信号，用来实现对机器的控制。 数字逻辑设计方法的缺点 设计过程复杂，各条指令之间的微操作有许多是相同的； CPU一经设计好，很难改变功能。 2、微程序设计方法 微程序设计方法的优点 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； 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。 3.5、流水线技术 1、流水线的基本概念 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