計算機的工作原理

1、第三章計算機的工作原理3.1計算機的結(jié)構(gòu)特點一、馮.諾伊曼體系結(jié)構(gòu)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機的組成和工作原理。特點：1、由運算器、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、機器以運算器為中心，輸入/輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都通過運算器完成。二、中央處理器(CPU)的組成1、運算器：運算器由算術(shù)邏輯部件(ALU)和一些寄存器組成，是直接進行數(shù)據(jù)交換和運算的部

2、件；2、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、運行和處理。3、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：存放當前要執(zhí)行的指令，由指令譯碼器進行譯碼，確定應(yīng)進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。4、協(xié)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)計實現(xiàn)；b) 微程序設(shè)計實現(xiàn)。2.采用總線結(jié)構(gòu)總線：是連接各部件的一組公共信號線，是傳送信號和代碼的公

3、共通道。所謂總線實際上就是一組信號連線，每個計算機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。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，5）I/O讀、寫。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CP

4、U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)門來實現(xiàn)?？刂贫丝刂贫溯斎胼敵?0001110高阻抗11高阻抗利用三態(tài)緩沖器就可以實現(xiàn)器件與總線之間的“開”和“關(guān)”，輸入和輸出分別與器件和總線的數(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)代計算機已經(jīng)從以運算器為中心轉(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

5、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)懶盘枺x寫信號用來控制數(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3.2指令系統(tǒng)前面我們了解了計算機的基本結(jié)構(gòu)，那么我們?nèi)绾沃笓]計算機來完成某項工作哪？

6、這就需要向計算機（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)的基本概念機器指令：命令機器做某種操作的一條語句稱為一個機器指令。指令是CPU唯一能識別的語言。指令在計算機內(nèi)部是以2進制的數(shù)碼來表示的，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現(xiàn)。指令系統(tǒng)：全部機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

7、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。有些計算機系統(tǒng)中要求每條指令的位數(shù)是相同的，有些計算機系統(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)實例某計算機系統(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+NUMTAADDA,NUM(數(shù)字)01H減，AdNUMTASUBA,(ADDR)02H乘，A*ADDR存

8、儲單元中的數(shù)據(jù)TAMULA,(ADDR)03H除,A/ADDR存儲單兀中的數(shù)據(jù)TADIVA,(ADDR)04H邏輯與，AandNUMTAANDA,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STOP下面我們來編制程序?qū)崿F(xiàn)：5x2+6x+7二（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（機器語言程序）完成功能助記符（匯編語言程序）OOH0505HAG5LDA,501H0207HAA*xMULA,(07H)02H0006HAGA+6ADDA,603H0207HA

9、A*xMULA,(07H)04H0007HAGA+7ADDA,705H0608H(08H)AMOV(08H),A06H0700H停機STOP07HX0BH結(jié)果3.3中央處理器（CPU）一、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1r鎖存信號/寫信號寄存器/鎖存器/存儲器1/輸出允許/讀信號-2）累加器AC：運算之前保存一個操作數(shù)，運算之后保存運算結(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）標志寄存器：用來記錄CPU當前運行的一些狀態(tài)，如加減法的進位，溢出，計算結(jié)果的正負，運算結(jié)果是否

10、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）指令譯碼器：解釋指令碼的意義。二、CPU的基本操作*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*、!、!、!、!、!、!、!、!、!、!、!、!、!*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*

11、1*1*1*1*數(shù)據(jù)總線地址總線內(nèi)存1）取指令：PC地址T地址寄存器T地址總線控制單元T讀信號數(shù)據(jù)總線T數(shù)據(jù)緩沖寄存器T指令寄存器T譯碼器T操作單元PC地址+12）讀數(shù)據(jù)：地址碼T地址寄存器T地址總線CUT讀信號數(shù)據(jù)總線T數(shù)據(jù)緩沖寄存器TACC3）寫數(shù)據(jù)：地址碼T地址寄存器T地址總線ACCT數(shù)據(jù)緩沖寄存器T數(shù)據(jù)總線CUT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LDA,505H05H將5取入寄存器AADDA,6OOH06HA加上6存入AMOV(8),A06H08HA存入存儲單元8STOP07HOOH停機CPU工作過程：取操作碼T取操作數(shù)一取操作碼T取操作數(shù)一執(zhí)行

12、加法T取操作碼一取操作數(shù)T存數(shù)T停機三、CPU的控制器和機器時鐘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。計算機中的時間最基本的單位是機器時鐘，由機器時鐘可以產(chǎn)生出多個周期。時鐘周期：一個時鐘信號的周期稱為時鐘周期；機器周期：CPU完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期；指令周期：CPU完成一條指令所需要的時間稱為指令周期。34CPU控制器的設(shè)計問題一、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

13、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：加法需要進行如下一系列操作：ACCT加法器；地址碼T地址寄存器T地址總線；數(shù)據(jù)總線T數(shù)據(jù)緩沖寄存器T加法器；加法器進行加法運算；結(jié)果TACC。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：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

14、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)行相當于執(zhí)行一段相應(yīng)的微程序。優(yōu)點：1) 設(shè)計過程相對簡單，相當于把硬件設(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:第一條指令取指譯碼執(zhí)行第二條指令取指譯碼執(zhí)行第三條指令取指譯碼執(zhí)行2)流水線：是指把一個重復(fù)的處

15、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。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。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)相關(guān)。三、RISC技術(shù)CISC，復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(ComplexInstructi

16、onSetComputer)；RISC，簡化指令系統(tǒng)計算機(ReducedInstructionSetComputer)oCISC系統(tǒng)的問題：對復(fù)雜指令系統(tǒng)的解釋和設(shè)計導(dǎo)致CPU結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流水線技術(shù)不容易實現(xiàn),提高CPU的頻率有困難。RISC系統(tǒng)的問題：對編譯器的要求比較高，匯編程序不容易看懂。RISC的特點：大多數(shù)指令是單機器周期指令，指令周期=機器周期。TxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTxTx*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1*1