3、電子計(jì)算機(jī)的工作原理ppt課件

1、第三章第三章 電子計(jì)算機(jī)的任電子計(jì)算機(jī)的任務(wù)原理務(wù)原理 3.1 電子計(jì)算機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)電子計(jì)算機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn) 一、馮一、馮.諾伊曼體系構(gòu)造諾伊曼體系構(gòu)造 n由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和I/O設(shè)備組成；n指令和數(shù)據(jù)以同等位置存放在存儲(chǔ)器中，按地址尋訪；n指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制表示； n指令由操作碼和數(shù)據(jù)組成；n指令在存儲(chǔ)器中順序存放，順序執(zhí)行，特定情況下根據(jù)條件改動(dòng)執(zhí)行的順序；n機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入/輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過(guò)運(yùn)算器完成。 馮馮.諾伊曼體系構(gòu)造的特點(diǎn)諾伊曼體系構(gòu)造的特點(diǎn)二、中央處置器二、中央處置器(CPU)的組成的組成1、運(yùn)算器：運(yùn)算器由算術(shù)邏輯部件、運(yùn)算器：運(yùn)算器由算術(shù)邏輯

2、部件(ALU)和和一些存放器組成，是直接進(jìn)展數(shù)據(jù)交換一些存放器組成，是直接進(jìn)展數(shù)據(jù)交換和運(yùn)算的部件；和運(yùn)算的部件；2、控制單元：控制單元用來(lái)指揮和控制程序、控制單元：控制單元用來(lái)指揮和控制程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)轉(zhuǎn)和處置；和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)轉(zhuǎn)和處置；3、存放器：、存放器： 包括存放器組，累加器包括存放器組，累加器(ACC)，標(biāo)志存放器標(biāo)志存放器(FR)，程序計(jì)數(shù)器，程序計(jì)數(shù)器(PC)，指，指令存放器令存放器(IR)，地址存放器，地址存放器(AR)，數(shù)據(jù)緩，數(shù)據(jù)緩沖存放器沖存放器(DR)；三、馮三、馮.諾伊曼構(gòu)造的演化諾伊曼構(gòu)造的演化1、控制部件設(shè)計(jì)的多樣化、控制部件設(shè)計(jì)的多樣化 邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；邏

3、輯電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；微程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。微程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 2、采用總線構(gòu)造、采用總線構(gòu)造分散銜接的方式使得輸入輸出設(shè)備無(wú)法變動(dòng)分散銜接的方式使得輸入輸出設(shè)備無(wú)法變動(dòng)早期交換數(shù)據(jù)必需經(jīng)過(guò)運(yùn)算器早期交換數(shù)據(jù)必需經(jīng)過(guò)運(yùn)算器利用三態(tài)緩沖器使得總線上的設(shè)備或器件分利用三態(tài)緩沖器使得總線上的設(shè)備或器件分時(shí)任務(wù)時(shí)任務(wù)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)總線構(gòu)造總線：是銜接各部件的一組公共信號(hào)線，傳送信號(hào)和代碼的公共通道。 系統(tǒng)總線的分類(lèi)：數(shù)據(jù)總線：用來(lái)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(zhǎng)有關(guān)；地址總線：用來(lái)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(gè)數(shù)與存儲(chǔ)器單元的數(shù)量有關(guān)，稱(chēng)為尋址

4、才干； 控制總線：用來(lái)發(fā)出各種控制信號(hào)的傳輸線，每一根控制總線是單向的。 3、以存儲(chǔ)器為中心 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)曾經(jīng)從以運(yùn)算器為中心轉(zhuǎn)化為以存儲(chǔ)器為中心；程序程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計(jì)算計(jì)算以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體大樓大樓存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存放一串二進(jìn)制代碼存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)字 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合合存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)位數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)按地址尋訪按地址尋訪 存儲(chǔ)單元存

5、儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)元件0/10/1 房間房間 床位床位無(wú)人無(wú)人/ / 有人有人 存儲(chǔ)器的根本組成主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體MARMARMDRMDRMARMARMDRMDR 存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 1616存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 8 8 設(shè)設(shè) MAR = 4 MAR = 4 位位 MDR = 8 MDR = 8 位位存儲(chǔ)器地址存放器存儲(chǔ)器地址存放器反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存放器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存放器反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)反映存儲(chǔ)字長(zhǎng) 存儲(chǔ)器的根本組成主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體MARMARMDRMDRn存儲(chǔ)器用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序；n主存儲(chǔ)器可以分為隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)；

6、nCPU每一次只能對(duì)存儲(chǔ)器中的一個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)展讀操作或?qū)懖僮鳌?、輸入/輸出系統(tǒng)功能的加強(qiáng) DMA、中斷技術(shù)3.2 指令系統(tǒng)一、指令系統(tǒng)的根本概念一、指令系統(tǒng)的根本概念機(jī)器指令：命令機(jī)器做某種操作的一條語(yǔ)句機(jī)器指令：命令機(jī)器做某種操作的一條語(yǔ)句稱(chēng)為一個(gè)機(jī)器指令；稱(chēng)為一個(gè)機(jī)器指令；指令系統(tǒng)：全部機(jī)器指令的集合稱(chēng)為指令系指令系統(tǒng)：全部機(jī)器指令的集合稱(chēng)為指令系統(tǒng)。統(tǒng)。指令系統(tǒng)是軟硬件的主要界面，不同處置器指令系統(tǒng)是軟硬件的主要界面，不同處置器對(duì)應(yīng)不同的指令系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同的指令系統(tǒng) 二、指令格式二、指令格式o操作碼：是一條指令的操作類(lèi)型或作用；o操作數(shù)：代表需求處置的數(shù)，或參與操作數(shù)的地址。操作數(shù)的個(gè)數(shù)

7、可以是0、1、2、3個(gè)o指令字長(zhǎng)：指令中包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)。o單字長(zhǎng)指令：指令字長(zhǎng)與機(jī)器字長(zhǎng)相等；o雙字長(zhǎng)指令：指令字長(zhǎng)度是機(jī)器字長(zhǎng)度兩倍；o機(jī)器字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)能直接處置的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)三、指令編碼系統(tǒng)實(shí)例三、指令編碼系統(tǒng)實(shí)例操作碼意義 助記符 00H加，A + NUMA ADD A, NUM(數(shù)字) 01H減，A NUMA SUB A, (ADDR) 02H乘，A * ADDR存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)A MUL A, (ADDR) 03H除，A / ADDR存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)A DIV A, (ADDR) 04H邏輯與，A and NUMA AND A, NUM 05H取數(shù)，將一個(gè)數(shù)取到A中 LD

8、A，NUM 06H存數(shù)，將A中的數(shù)保存到ADDR存儲(chǔ)單元中 MOV (ADDR), A 07H停機(jī) STOP 3.3 中央處置器(CPU)一、一、CPU的根本構(gòu)造的根本構(gòu)造 二、二、CPU的根本操作的根本操作三、三、CPU的控制器和機(jī)器時(shí)鐘的控制器和機(jī)器時(shí)鐘一、CPU的根本構(gòu)造 1、數(shù)的存儲(chǔ)：存放器、鎖存器、存儲(chǔ)器 2、累加器ACC：運(yùn)算之前保管一個(gè)操作數(shù)，運(yùn)算之后保管運(yùn)算結(jié)果，CPU中可以有一個(gè)或多個(gè)累加器； 3、通用存放器組：可以用來(lái)保管數(shù)據(jù)，也可以參與計(jì)算，存取速度非常快，但普通數(shù)量不多； 4、標(biāo)志存放器：用來(lái)記錄CPU當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)的一些形狀，如加減法的進(jìn)位，溢出，計(jì)算結(jié)果的正負(fù)，運(yùn)算結(jié)果能

9、否為0等等；5、程序計(jì)數(shù)器PC：存放下一條要執(zhí)行的指令的地址碼； 6、地址存放器AR：與地址總線相連，給出操作內(nèi)存單元的地址； 7、指令存放器IR：保管取出的指令碼； 8、數(shù)據(jù)緩沖存放器DR：與數(shù)據(jù)總線相連，保管要寫(xiě)入內(nèi)存的數(shù)據(jù)或從內(nèi)存中讀出的數(shù)據(jù)；9、指令譯碼器：解釋指令碼的意義。二、CPU的根本操作1、取指令2、讀數(shù)據(jù)3、寫(xiě)數(shù)據(jù)o取指令o1、PC地址地址存放器地址總線o2、控制單元讀信號(hào) o3、數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖存放器指令存放器譯碼器操作單元o4、PC地址+1 o讀數(shù)據(jù)o1、地址碼地址存放器地址總線 o2、CU讀信號(hào) o3、數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖存放器ACCo寫(xiě)數(shù)據(jù)o1、地址碼地址存放器地址總線

10、o2、ACC數(shù)據(jù)緩沖存放器數(shù)據(jù)總線o3、CU寫(xiě)信號(hào) 三、CPU的控制器和機(jī)器時(shí)鐘o控制器：在時(shí)鐘節(jié)拍下，按照每一條指令對(duì)應(yīng)的各個(gè)根本操作發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各功能部件有序任務(wù)完成規(guī)定的操作內(nèi)容。o時(shí)序：正確執(zhí)行一條指令時(shí)，為該條指令中的每個(gè)微操作所安排的時(shí)間表稱(chēng)為時(shí)序。o時(shí)鐘周期：一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的周期稱(chēng)為時(shí)鐘周期； o機(jī)器周期：CPU完成一個(gè)根本操作所需求的時(shí)間稱(chēng)為機(jī)器周期； o指令周期：CPU完成一條指令所需求的時(shí)間稱(chēng)為指令周期。(一)、CPU控制部件的設(shè)計(jì)方法 n數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)方法n 將指令系統(tǒng)中每條指令對(duì)應(yīng)的同一種微操作歸納綜n合，思索執(zhí)行這一微操作的一切電路要求和時(shí)鐘要求，n用數(shù)字邏輯電

11、路加以實(shí)現(xiàn)。n組成：門(mén)電路、存放器。n微程序設(shè)計(jì)方法 n 將由硬件電路設(shè)計(jì)方法構(gòu)成的指令操作步驟改用微程序來(lái)控制。1、數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)方法 數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)方法的微控制電路圖：數(shù)字邏輯方法的設(shè)計(jì)步驟數(shù)字邏輯方法的設(shè)計(jì)步驟o分解指令為假設(shè)干個(gè)微操作；o將各微操作對(duì)應(yīng)到指令周期的不同時(shí)鐘中去；o采用普通的邏輯電路設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出操作控制線路；o每個(gè)控制線路的輸出是一個(gè)微操作控制信號(hào)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的控制。數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)方法的缺陷數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)方法的缺陷o設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，各條指令之間的微操作有許多是一樣的；oCPU一經(jīng)設(shè)計(jì)好，很難改動(dòng)功能。 2、微程序設(shè)計(jì)方法微程序控制器的構(gòu)造框圖微程序設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)微程序設(shè)

12、計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)o設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，相當(dāng)于把硬件設(shè)計(jì)的一部分轉(zhuǎn)化為軟件設(shè)計(jì)； o改動(dòng)CPU的功能非常方便，只需修正控制存儲(chǔ)器中的微程序即可。 3.4 計(jì)算機(jī)的任務(wù)過(guò)程計(jì)算機(jī)的任務(wù)過(guò)程主機(jī)完成一條指令的過(guò)程主機(jī)完成一條指令的過(guò)程123567891)1)以取數(shù)指令為例以取數(shù)指令為例4CU控制控制單元單元主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體CPUPC控制器控制器IR運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXI/O123567982)2)以存數(shù)指令為例以存數(shù)指令為例4CU控制控制單元單元主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體CPUPC控制器控制器IR運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXI/O取取x x 至運(yùn)算器中至運(yùn)

13、算器中乘以乘以x x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中乘以乘以a a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中存存ax2 ax2 在存儲(chǔ)器中在存儲(chǔ)器中取取b b 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以x x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加ax2 ax2 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中= (ax + b)x + c = (ax + b)x + c 取取x x 至運(yùn)算器中至運(yùn)算器中乘以乘以a a 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加b b 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中乘以乘以x x 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中加加c c 在運(yùn)算器中在運(yùn)算器中計(jì)算計(jì)算 ax2 + bx + c3)編程舉例編程舉例4) ax2 + bx + c 程序的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程程序的運(yùn)轉(zhuǎn)

14、過(guò)程 將程序經(jīng)過(guò)輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī)將程序經(jīng)過(guò)輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī) 程序首地址程序首地址 打印結(jié)果打印結(jié)果 分析指令分析指令 取指令取指令 停機(jī)停機(jī) 啟動(dòng)程序運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)程序運(yùn)轉(zhuǎn),(PC )+ 1 PC,(PC )+ 1 PC 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC3.5、流水線技術(shù)、流水線技術(shù)1、流水線的根本概念、流水線的根本概念流水線的思想：每條指令的執(zhí)行都可以分為流水線的思想：每條指令的執(zhí)行都可以分為假設(shè)干個(gè)步驟。早期的假設(shè)干個(gè)步驟。早期的CPU指令是串行執(zhí)指令是串

15、行執(zhí)行的，現(xiàn)代的行的，現(xiàn)代的CPU是將這些步驟重疊執(zhí)行。是將這些步驟重疊執(zhí)行。 o無(wú)流水線無(wú)流水線CPU的執(zhí)行過(guò)程的執(zhí)行過(guò)程o3級(jí)流水線級(jí)流水線CPU的執(zhí)行過(guò)程的執(zhí)行過(guò)程n流水線：是指把一個(gè)反復(fù)的處置過(guò)程分解成流水線：是指把一個(gè)反復(fù)的處置過(guò)程分解成假設(shè)干個(gè)子處置過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程可以與其假設(shè)干個(gè)子處置過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程可以與其它的子過(guò)程同時(shí)進(jìn)展處置。它的子過(guò)程同時(shí)進(jìn)展處置。n8086CPU的流水線構(gòu)造：的流水線構(gòu)造： n7級(jí)流水構(gòu)造：現(xiàn)代的微處置器普通采用級(jí)流水構(gòu)造：現(xiàn)代的微處置器普通采用7級(jí)級(jí)流水線流水線 2、流水線的種類(lèi)：、流水線的種類(lèi)：指令流水線指令流水線指令分解，各步操作重疊，典型的執(zhí)行過(guò)

16、指令分解，各步操作重疊，典型的執(zhí)行過(guò)程如程如7步流水步流水?dāng)?shù)據(jù)流水線數(shù)據(jù)流水線又稱(chēng)運(yùn)算流水：運(yùn)算步驟分解，如浮點(diǎn)加又稱(chēng)運(yùn)算流水：運(yùn)算步驟分解，如浮點(diǎn)加法：對(duì)階法：對(duì)階尾數(shù)加尾數(shù)加規(guī)格化規(guī)格化3、流水線的問(wèn)題、流水線的問(wèn)題 相關(guān)：流水線中指令之間由于某種關(guān)聯(lián)使相關(guān)：流水線中指令之間由于某種關(guān)聯(lián)使流水線停頓的景象。流水線停頓的景象。控制相關(guān)控制相關(guān) 部件相關(guān)部件相關(guān) 數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān) 流水線的問(wèn)題流水線的問(wèn)題a)控制相關(guān)控制相關(guān)緣由：轉(zhuǎn)移指令引起的相關(guān)，需求等待轉(zhuǎn)移的條件；緣由：轉(zhuǎn)移指令引起的相關(guān)，需求等待轉(zhuǎn)移的條件；轉(zhuǎn)移指令的頻度約占轉(zhuǎn)移指令的頻度約占 指令總數(shù)的指令總數(shù)的20%。措施：措施：1

17、延遲轉(zhuǎn)移法：推遲執(zhí)行轉(zhuǎn)移假設(shè)無(wú)影響的延遲轉(zhuǎn)移法：推遲執(zhí)行轉(zhuǎn)移假設(shè)無(wú)影響的 條件下，依賴(lài)于編譯程序；條件下，依賴(lài)于編譯程序；2轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法：發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)直接預(yù)測(cè)一個(gè)能夠性大轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)法：發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)直接預(yù)測(cè)一個(gè)能夠性大 的分支，繼續(xù)預(yù)取指令。需求兩個(gè)的分支，繼續(xù)預(yù)取指令。需求兩個(gè) 預(yù)取指令隊(duì)列，高性能計(jì)算機(jī)中運(yùn)預(yù)取指令隊(duì)列，高性能計(jì)算機(jī)中運(yùn)用。用。b)部件相關(guān)部件相關(guān) 緣由：爭(zhēng)用同一個(gè)部件，如存儲(chǔ)器；緣由：爭(zhēng)用同一個(gè)部件，如存儲(chǔ)器； 措施：停一拍措施：停一拍c)數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)緣由緣由:后一條指令要用到前一條指令計(jì)算后的后一條指令要用到前一條指令計(jì)算后的 數(shù)據(jù)，如訪問(wèn)同一個(gè)存放器或者內(nèi)存單數(shù)據(jù)，如訪問(wèn)同

18、一個(gè)存放器或者內(nèi)存單元元措施：設(shè)置比較電路，檢查前后兩個(gè)地址能措施：設(shè)置比較電路，檢查前后兩個(gè)地址能否一樣否一樣流水線的問(wèn)題流水線的問(wèn)題3.6、RISC技術(shù)oCISC，復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(Complex Instruction Set Computer)； oRISC，簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(Reduced Instruction Set Computer)。 oCISC和RISC計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)oCISC系統(tǒng)的問(wèn)題：對(duì)復(fù)雜指令系統(tǒng)的解釋和設(shè)計(jì)導(dǎo)致CPU構(gòu)造復(fù)雜，流水線技術(shù)不容易實(shí)現(xiàn)，提高CPU的頻率有困難。oRISC系統(tǒng)的問(wèn)題：對(duì)編譯器的要求比較高，匯編程序不容易看懂。 oRISC的特點(diǎn)：大多數(shù)指令是單機(jī)器周期指令，指令周期 = 機(jī)器周期。 (1) 指令系統(tǒng)復(fù)雜。詳細(xì)表如今指令數(shù)多、尋指令系統(tǒng)復(fù)雜。詳細(xì)表如今指令數(shù)多、尋址方式多、指令格式多。址方式多、指令格式多。(2) 絕大多數(shù)指令需求多個(gè)時(shí)鐘周期才干執(zhí)行絕大多數(shù)指令需求多個(gè)時(shí)鐘周期才干執(zhí)行完成。完成。(3) 各種指令都可訪問(wèn)存儲(chǔ)器。各種指令都可訪問(wèn)存