計算機(jī)的工作原理

1、*第三章 計算機(jī)的工作原理3.1 計算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、馮.諾伊曼體系結(jié)構(gòu)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)的組成和工作原理。特點(diǎn)：1、 由運(yùn)算器、存儲器、控制器和I/O設(shè)備組成；2、 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放在存儲器中，按地址尋訪；3、 指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制表示；4、 指令由操作碼和數(shù)據(jù)組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)存放在存儲器中的地址；5、 指令在存儲器中順序存放，順序執(zhí)行，特定情況下根據(jù)條件改變執(zhí)行的順序；6、 機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入 /輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都通過運(yùn)算器完成。二、中央處理器(CPU)的組成7、 運(yùn)算器：運(yùn)算器由算術(shù)邏輯部件 (ALU)和一些寄存器組成，是直

2、接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和運(yùn)算的 部件；8、 控制單元：控制單元用來指揮和控制程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行和處理。9、 寄存器：寄存器組：用于存儲數(shù)據(jù)；累加器(ACC):提供給ALU的兩個操作數(shù)之一，并存儲計算結(jié)果；標(biāo)志寄存器(FR):用于存儲某些重要的狀態(tài)和特征，每個狀態(tài)用一位標(biāo)志；程序寄存器：用于存放下一條要執(zhí)行指令的地址碼；指令寄存器：存放當(dāng)前要執(zhí)行的指令，由指令譯碼器進(jìn)行譯碼，確定應(yīng)進(jìn)行什么操作， 通過操作控制器產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器。10、 處理器：三、馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)的演化1 .控制部件設(shè)計的多樣化a)用邏輯電路設(shè)計實(shí)現(xiàn)；b) 微程序設(shè)計實(shí)現(xiàn)。*2 .采用總線結(jié)構(gòu)總線：是連接各部

3、件的一組公共信號線，是傳送信號和代碼的公共通道。所謂總線實(shí)際上就是一組信號連線，每個計算機(jī)部件都要與這組信號向相連，每根信號線只有 兩個狀態(tài)，高電平和低電平。這種總線稱為外部總線或系統(tǒng)總線，系統(tǒng)總線中的信號線根據(jù)其功能的不同又可以分為三類:1）數(shù)據(jù)總線：用來傳輸各功能部件之間的數(shù)據(jù)信息，是雙向傳輸總線，位數(shù)與機(jī)器字長 有關(guān)；2）地址總線：用來指出數(shù)據(jù)總線上的源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)在主存中的地址，是單向傳輸總 線，地址總線的個數(shù)與存儲器單元的個數(shù)有關(guān)，稱為尋址能力；3）控制總線：用來發(fā)出各種控制信號的傳輸線，每一根控制總線是單向的。常見的控制總線有：1）時鐘，2）復(fù)位，3）中斷請求，4）存儲器讀、寫，

4、5）I/O讀、寫。輸出輸入由于數(shù)據(jù)總線是雙向總線，每個部件都可以向數(shù)據(jù)總線上發(fā)出數(shù)據(jù)信號，也可以接收數(shù)據(jù)總線 上數(shù)據(jù)信號。同一時刻只能有一個部件發(fā)出數(shù)據(jù)信號，其它部件可以接收數(shù)據(jù)信號。一般來說， 每一次的數(shù)據(jù)傳輸都是 CPU與某一個特定的部件之間的數(shù)據(jù)傳輸，其它部件需要與數(shù)據(jù)總線 “斷開”，這就需要有一個三態(tài)門來實(shí)現(xiàn)。控制端輸入輸出00001110高阻抗11高阻抗控制端,輸入和輸出分別與器件和總線的利用三態(tài)緩沖器就可以實(shí)現(xiàn)器件與總線之間的“開”和“關(guān)”*數(shù)據(jù)線相連，控制端由控制線和地址線組合邏輯產(chǎn)生。同樣利用三態(tài)緩沖器也可以實(shí)現(xiàn)雙向的 數(shù)據(jù)總線。（P47,圖3.4）3 .以存儲器為中心現(xiàn)代計算

5、機(jī)已經(jīng)從以運(yùn)算器為中心轉(zhuǎn)化為以存儲器為中心。存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序。主存儲器可以分為隨機(jī)存儲器 （RAM）和只讀存儲器（ROM）。主存儲器通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控 制總線同CPU相連。對主存儲的操作分為兩種：讀操作和寫操作。讀操作是從存儲器中取出信息的過程；寫操作時 將信息寫入存儲器的過程。在主存儲器中包含大量的存儲單元，每個存儲單元可以存儲一個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度可以是8位，16位，32位或64位。 CPU每一次只能對存儲器中的一個存儲單元進(jìn)行讀操作或?qū)懖僮?，CPU通過地址總線將一組地址信號發(fā)送到地址譯碼器，地址譯碼器譯出該地址，選中相應(yīng)的存儲單元，然后CPU在發(fā)出一個讀信號或?qū)懶盘?，讀寫信號

6、用來控制數(shù)據(jù)傳送的方向。（參考圖3.4中的C1和C2信號）CPU對存儲器的讀寫過程參考 p48,p49 ,圖3.5和3.4。 4.輸入/輸出系統(tǒng)功能的加強(qiáng)3.2 指令系統(tǒng)前面我們了解了計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，那么我們?nèi)绾沃笓]計算機(jī)來完成某項工作哪？這就需要向 計算機(jī)（CPU）發(fā)出一系列的指令，CPU執(zhí)行這些指令來完成某項工作。一般來說CPU只能完成一些簡單的、基本的操作，每一個基本操作稱作一個指令，CPU所能夠執(zhí)行的所有指令是有限的，這些指令構(gòu)成的集合稱為指令系統(tǒng)。每一個CPU的指令系統(tǒng)都是不同的。 一、指令系統(tǒng)的基本概念機(jī)器指令：命令機(jī)器做某種操作的一條語句稱為一個機(jī)器指令。指令是CPU唯一能識別

7、的語言。指令在計算機(jī)內(nèi)部是以 2進(jìn)制的數(shù)碼來表示白1位數(shù)可以是 8位、16位、32位等等。每一條指令的 執(zhí)行一般都是由一個特定的硬件電路或一組硬件電路來實(shí)現(xiàn)。指令系統(tǒng)：全部機(jī)器指令的集合稱為指令系統(tǒng)。二、指令格式操作碼操作數(shù)/操作數(shù)地址操作碼：是一條指令的操作類型或作用；操作數(shù)：代表需要處理的數(shù)，或參與操作數(shù)的地址。在一條指令中，操作碼有且只能有一個，而操作數(shù)可以不止一個，也可以一個沒有。有些計算 機(jī)系統(tǒng)中要求每條指令的位數(shù)是相同的，有些計算機(jī)系統(tǒng)中指令的位數(shù)可以是不同的，一般來說操 作碼的位數(shù)是相同的，而操作數(shù)的位數(shù)有可能不同。對一個包括n位的操作碼來說，最多可以表示2n條指令。三、指令系統(tǒng)

8、實(shí)例某計算機(jī)系統(tǒng)中，指令字長為16位，操作碼為8位，操作碼為8位，ACC為寄存器，累加器。8位地址總線，16位數(shù)據(jù)總線。操作碼意義助記符00H力口，A + NUM AADD A, NUM(數(shù)字)01H減，A -NUM ASUB A, (ADDR)*02H乘，A * ADDR存儲單元中的數(shù)據(jù)AMUL A, (ADDR)03H除，A / ADDR存儲單元中的數(shù)據(jù)ADIV A, (ADDR)04H邏輯與，A and NUM AAND A, NUM05H取數(shù)，將一個數(shù)取到 A中LDA, NUM06H存數(shù)，將A中的數(shù)保存到 ADDR存儲單兀中MOV (ADDR), A07H停機(jī)STOP卜面我們來編制程序

9、實(shí)現(xiàn)：5x2 6x 7 （5x 6）x 7,其中x存放在07H存儲單元中，計算結(jié)果保存在08H單元中。內(nèi)存地址內(nèi)存單元的內(nèi)容（機(jī)器語言程序）完成功能助記符（匯編語百程序）00H0505HA 5LDA, 501H0207HA A*xMUL A, (07H)02H0006HA A+6ADD A, 603H0207HA A*xMUL A, (07H)04H0007HA A+7ADD A, 705H0608H(08H) AMOV (08H),A06H0700H停機(jī)STOP07HX0BH結(jié)果3.3 中央處理器（CPU）CPU的基本結(jié)構(gòu)1）數(shù)的存儲：寄存器、鎖存器、存儲器*輸入數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)線曲Lj鎖存信

10、號/ 寫信號寄存器/ 鎖存器/ 存儲器輸出允許/ 讀信號2)累加器AC:運(yùn)算之前保存一個操作數(shù)，運(yùn)算之后保存運(yùn)算結(jié)果，CPU中可以有一個或多個累加器；3)通用寄存器組：可以用來保存數(shù)據(jù)，也可以參與計算，存取非常速度快，但一般數(shù)量不多；4) 標(biāo)志寄存器：用來記錄 CPU當(dāng)前運(yùn)行的一些狀態(tài)，如加減法的進(jìn)位，溢出，計算結(jié)果的正負(fù)，運(yùn)算結(jié)果是否為 0等等；5) 程序計數(shù)器PC:存放下一條要執(zhí)行的指令的地址碼；6) 地址寄存器AR:與地址總線相連，給出操作內(nèi)存單元的地址；7) 指令寄存器IR:保存取出的指令碼；8) 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 DR:與數(shù)據(jù)總線相連，保存要寫入內(nèi)存的數(shù)據(jù)或從內(nèi)存中讀出的數(shù)據(jù)；9) 指

11、令譯碼器：解釋指令碼的意義。CPU的基本操作*1) 取指令：PC地址 地址寄存器 地址總線控制單元讀信號數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖寄存器 指令寄存器譯碼器操作單元PC地址+12) 讀數(shù)據(jù)：地址碼地址寄存器 地址總線CU 讀信號數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖寄存器ACC3) 寫數(shù)據(jù)：地址碼地址寄存器 地址總線ACC 數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)總線CU 寫信號舉例：計算5+6,結(jié)果保存在08H的存儲單元中助記符操作碼操作數(shù)說明LD A, 505H05H將5取入寄存器A 1ADD A, 600H06HA加上6存入A*MOV (8), A06H08HA存入存儲單元8STOP07H00H停機(jī)CPU工作過程:取操作碼 取操作數(shù) 取操作碼

12、 取操作數(shù)執(zhí)行加法 取操作碼 取操作數(shù) 存數(shù)停機(jī) 三、CPU的控制器和機(jī)器時鐘CPU取指令、取操作數(shù)、存數(shù)等等的一系列的操作都可以分解為若干個微操作，同時需要CU發(fā)出相應(yīng)的信號來指揮 CPU中的各個部件，以及 CPU外部的各個部件協(xié)調(diào)工作。時序：正確執(zhí)行一條指令時，為該條指令中的每個微操作所安排的時間表稱為時序。計算機(jī)中 的時間最基本的單位是機(jī)器時鐘，由機(jī)器時鐘可以產(chǎn)生出多個周期。1 .4 CPU控制器的設(shè)計問題CPU控制器的設(shè)計方法1、數(shù)字邏輯設(shè)計方法微操作 控制微操作：每條指令的執(zhí)行過程可以分解為若干個小的操作，其中每個操作稱為一個微操作。 比如：加法需要進(jìn)行如下一系列操作：ACC 加法器

13、；地址碼地址寄存器 地址總線；數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖寄存器加法器;加法器進(jìn)行加法運(yùn)算；結(jié)果 ACC 。設(shè)計方法：1）分解每一條指令為若干個微操作;*2）為每個微操作設(shè)計邏輯電路；3）每一條指令的控制電路由若干個微操作的邏輯電路組合而成。 缺點(diǎn)：1）設(shè)計過程復(fù)雜，各條指令之間的微操作有許多是相同的；2 ） CPU 一經(jīng)設(shè)計好，很難改變功能。2、微程序設(shè)計方法后繼微指令地址狀態(tài)條件CLK微指令：將每個微操作看作是一條指令，稱為微指令；微程序：每條指令可以看作是一段微程序；將每條指令的微程序存放在CPU內(nèi)部的存儲器中，稱為控制存儲器，一條指令的執(zhí)行相當(dāng)于執(zhí)行一段相應(yīng)的微程序。優(yōu)點(diǎn)：1）設(shè)計過程相對簡單，相

14、當(dāng)于把硬件設(shè)計的一部分轉(zhuǎn)化為軟件設(shè)計；2）改變CPU的功能非常方便，只需修改控制存儲器中的微程序即可。二、流水線技術(shù)1、流水線的基本概念：1）流水線的思想：每條指令的執(zhí)行都可以分為若干個步驟。早期的 CPU指令是串行執(zhí)行 的，現(xiàn)代的CPU是將這些步驟重疊執(zhí)行。無流水線CPU的執(zhí)行過程：取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行第一條指令第二條指令第三條指令3級流水線CPU的執(zhí)行過程:*第一條指令第二條指令第三條指令取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行2) 流水線：是指把一個重復(fù)的處理過程分解成若干個子處理過程，每個子過程可以與其 它的子過程同時進(jìn)行處理。3) 8086CPU的流水線結(jié)構(gòu)：8086將CPU分為兩個部件：執(zhí)行部件EU和總線接口部件 BIU°BIU中有一個16字節(jié) 的指令隊列，當(dāng)隊列中出現(xiàn)2個以上的空字節(jié)時，BIU自動從總線上讀入指令填入隊列。 當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令時，EU向BIU發(fā)出控制信號和新地址，BIU清除隊列中的內(nèi)容，重新裝入指令碼。系統(tǒng)總線4) 7級流水結(jié)構(gòu)：現(xiàn)代的微處理器一般采用7級流水線。取指令M指令譯碼地址形成取操作 數(shù)操作執(zhí)行寫結(jié)果修改指令指針2、流水線的種類：指令流水線和數(shù)據(jù)流水線。3、流水線的問題：1)控制相關(guān)；2) 部件相關(guān)；3) 數(shù)據(jù)