專升本計算機專業(yè)課件計算機組成原理課件第五章

2020/8/21

送霹?的基楨成

運算器：用于實現(xiàn)算術(shù)運算（如：加減乘除）、邏輯運算（如：與或非）

ACC：累加器，用于存放操作數(shù)，或運算結(jié)果。

MQ：乘商寄存器，在乘、除運算時，用于存放操作數(shù)或運算結(jié)果。

X：通用的操作數(shù)寄存器，用于存放操作數(shù)

ALU：算術(shù)邏輯單元，通過內(nèi)部復(fù)雜的電路實現(xiàn)算數(shù)運算、邏輯運算

AccumulatorACC被加數(shù)、和被減數(shù)、差乘積高位被除數(shù)、余數(shù)

Multiple-QuotientRegisterMQ乘數(shù)、乘積低位商

ArithmeticandLogicUnitX加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)

控制署的基本組成

控制器

CU：控制單元，分析指令，給出控制信號

IR：指令寄存器，存放當前執(zhí)行的指令

PC：程序計數(shù)器，存放下一條指令地址，有自動加1功能

ControlUnit

InstructionRegister

ProgramCounter

臂J取指令PC|取指

二變<分析指令I(lǐng)RJ

指令

l執(zhí)行指令CU執(zhí)行

4

2

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計算機的工作過程

#5：OP(IR)^CU,指令的操作碼送到CU,CU分析后得知，這是“取數(shù)”指令

取指令

#6：Ad(IR)-?MAR,指令的地址碼送到MAR,導(dǎo)致(MAR)=5

分析指令(#5)

#8：M(MAR)->MDR,導(dǎo)致(MDR)=00000000000000/0=2

執(zhí)行取數(shù)指令(#6-#9)

#9：(MDR)->ACC,導(dǎo)致(ACC)=00000000000000/g2

計算機的工作過程

回憶總想哭

主存指令

防

存儲體

6

00000010000000101Wt/M.Acc

738

10210001000000000110Ulb^ah，存于ACC中

MARMDR-20000110000000111加南汕+c,存于ACC中

130000100000001000將必+C,存于主存單元

主存儲器

40001100000000000

9

50000000000000010

60000000000000011JKMdRb=3

上一條指令取指后PC自動+1,(PC)=1；執(zhí)行后，(ACC)=2

#1：(PC)今MAR,導(dǎo)致(MAR)=170000000000000001

#3：M(MAR)^MDR,導(dǎo)致(MDR)=000100小)小1口川110

8

#4：(MDR)->IR,導(dǎo)致(IR)=00010000000001100000000000000000

#5：OP(IR)->CU,指令的操作碼送到CU,CU分析后得知,這是“乘法”指令

#6：Ad(IR)今MAR,指令的電J：碼送到MAR,導(dǎo)致(MAR)=6

#8：M(MAR)^MDR,導(dǎo)致(MDR)=0〃000000〃0000〃〃=3取指令(#1~#4)

分析指令(#5)

#9：(MDR)9MQ,導(dǎo)致(MQ)=OOOO〃0OOO〃O0〃0〃=3

執(zhí)行乘法指令(#6-#11)

#10：(ACC)>>X,導(dǎo)致(X)=2

#11：(MQ)*(X)-?ACC,由ALU實現(xiàn)乘法運算，導(dǎo)致(ACC)=6,如果乘積太大，則需要MQ輔助存儲

6

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計算機的工作過程

主存

防

00000010000000101Wfc/SACC

10001000000000110MMh*，存于ACC中

2000011()000000111加4M+c,存于ACC中

30000100000001000林必+c,存于生存單元

40001100000000000停機

500000000000000109?Ma=2

60000000000000011■MM/

上一條指令取指后(PC)=2,執(zhí)行后，(ACC)=6

#1：(PQ1MAR,導(dǎo)致(MAR)=270000000000000001

#3：M(MAR)今MDR,^^(MDR)=0000110000000111

#4：(MDR)^IR,^(IR)=000011000(1110(111180000000000000000尸。

#5:OP(IR)今CU,指令的操作碼送到CU,CU分析后得知，這是“加法”指令

：指令的二；址碼送到導(dǎo)致

#6Ad(IR)->MAR,MAR,(MAR)=7取指令

#8：M(MAR)今MDR,導(dǎo)致(MDR)=0〃0OOOO〃OO〃O0OO/=7

分析指令(#5)

#9：(MDR)fX,導(dǎo)致g=0000000000000001=1

執(zhí)行加法指令(#6-#10)

#10：(ACC)+(X)-?ACC,導(dǎo)致(ACC)=7,由ALU實現(xiàn)加法運算

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本章胤

會產(chǎn)生什么問題？

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本節(jié)內(nèi)容

中央處理器

CPU的功能和

基本結(jié)構(gòu)

CPU的功能

1.指令完成取指令、分析指令和執(zhí)行指令的操作，即程序的順序控制。

2.JM附■一條指令的功能往往是由若干操作信號的組合來實現(xiàn)的。CPU管

理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件,

從而控制這些部件按指令的要求進行動作。

3.時阿控?|：對各種操作加以時間上的控制。時間控制要為每條指令按時間

順序提供應(yīng)有的控制信號。

4.，awnH對數(shù)據(jù)進行算術(shù)和邏輯運算。

5.中節(jié)如，對計算機運行過程中出現(xiàn)的異常情況和特殊請求進行處理。

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運算事和拄川詈的功倦

運算器?對數(shù)據(jù)進行加工

控制器―協(xié)調(diào)并控制計算機各部件執(zhí)行程序的指令序列，

基本功能包括取指令、分析指令、執(zhí)行指令

CPU取指令：自動形成指令地址；自動發(fā)出取指令的命令。

分析指令：操作碼譯碼（分析本條指令要完成什么操作）；

產(chǎn)生操作數(shù)的有效地址。

執(zhí)行指令：根據(jù)分析指令得到的“操作命令”和“操作數(shù)地址”，

形成操作信號控制序列，控制運算器、存儲器以及I/O

設(shè)備完成相應(yīng)的操作。

中斷處理：管理總線及輸入輸出；處理異常情況（如掉電）和特殊請

求（如打印機請求打印一行字符）。

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運重暑的基本結(jié)構(gòu)

1.算術(shù)邏輯單元：主要功能是進行算術(shù)/邏輯運算。

2.通用寄存器組：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于

存放操作數(shù)（包括源操作數(shù)、口的操作數(shù)及中間結(jié)果）

和各種地址信息等。SP是堆棧指針，用于指示棧頂?shù)?/p>

地址。

專用數(shù)據(jù)通路方式：根據(jù)指令執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)和地址的流動方向安排連接線路。

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1.算術(shù)邏輯單元：主要功能是進行算術(shù)/邏輯運算。

2.通用寄存器組：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于

存放操作數(shù)（包括源操作數(shù)、目的操作數(shù)及中間結(jié)果）

和各種地址信息等。SP是堆棧指針，用于指示棧頂?shù)?/p>

地址。

如果直接用導(dǎo)線連接，相當于多個寄

存器同時并且一直向ALU傳輸數(shù)據(jù)

解決方法1.使用多路選擇器

專用數(shù)據(jù)通路方式：根據(jù)指令執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)和地址的流動方向安排連接線路。

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運重號的基本結(jié)構(gòu)

1.算術(shù)邏輯單元：主要功能是進行算術(shù)/邏輯運算。

2.通用寄存器組：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于

存放操作數(shù)（包括源操作數(shù)、口的操作數(shù)及中間結(jié)果）

和各種地址信息等。SP是堆棧指針，用于指示棧頂?shù)?/p>

地址。

如果直接用導(dǎo)線連接，相當于多個寄

存器同時并且一直向ALU傳輸數(shù)據(jù)

解決方法1.使用多路選擇器

根據(jù)控制信號選擇一路輸出

解決方法2.使用三態(tài)門

可以控制每一路是否輸出

專用數(shù)據(jù)通路方式：根據(jù)指令執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)和地址的流動方向安排連接線路。

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運第詈的基本結(jié)構(gòu)

1.算術(shù)邏輯單元：主要功能是進行算術(shù)/邏輯運算。

CPU內(nèi)部單總線方式：將所有寄存器的輸入端2.通用寄存器組：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于

和輸出端都連接到一條公共的通路上。存放操作數(shù)（包括源操作數(shù)、目的操作數(shù)及中間結(jié)果）

和各種地址信息等。SP是堆棧指針，用于指示棧頂?shù)?/p>

地址。

如果直接用導(dǎo)線連接，相當于多個寄

存器同時并且一直向ALU傳輸數(shù)據(jù)

解決方法1.使用多路選擇器

根據(jù)控制信號選擇一路輸出

解決方法2.使用三態(tài)門

可以控制每一路是否輸出

如：ROout為1時心中的數(shù)據(jù)輸出到A端，

ROout為0時網(wǎng)中的數(shù)據(jù)無法輸出到A端

性能較高，基本不存在數(shù)據(jù)沖突現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬件量大，不易實現(xiàn)。

專用數(shù)據(jù)通路方式：根據(jù)指令執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)和地址的流動方向安排連接線路。

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運重暑的基本結(jié)構(gòu)

1.算術(shù)邏輯單元：主要功能是進行算術(shù)/邏輯運算。

CPU內(nèi)部單總線方式：將所有寄存器的輸入端2.通用寄存器組：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于

和輸出端都連接到一條公共的通路上。存放操作數(shù)（包括源操作數(shù)、口的操作數(shù)及中間結(jié)果）

和各種地址信息等。SP是堆棧指針，用于指示棧頂?shù)?/p>

地址。

3.暫存寄存器：用于暫存從主存讀來的數(shù)據(jù)，這個數(shù)

據(jù)不能存放在通用寄存器中，否則會破壞其原有內(nèi)容。

如：兩個操作數(shù)分別來自主存和R。，最后結(jié)果存回Ro,

那么從主存中取來的操作數(shù)直接放入暫存器，就不會

破壞運算前Ro的內(nèi)容。

結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但數(shù)據(jù)傳輸存在

較多沖突的現(xiàn)象，性能較低。

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運第詈的基本結(jié)構(gòu)

CPU內(nèi)部總線

1.算術(shù)邏輯單元：主要功能是進行算術(shù)/邏輯運算。

2.通用寄存器組：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于

暫存寄存器增加一些功能存放操作數(shù)（包括源操作數(shù)、目的操作數(shù)及中間結(jié)果）

和各種地址信息等。SP是堆棧指針，用于指示棧頂?shù)?/p>

一〉移位寄存器

地址。

一〉累加寄存器

3.暫存寄存器：用于暫存從主存讀來的數(shù)據(jù)，這個數(shù)

據(jù)不能存放在通用寄存器中，否則會破壞其原有內(nèi)容.

如：兩個操作數(shù)分別來自主存和Ro,最后結(jié)果存回Ro,

暫存寄存器那么從主存中取來的操作數(shù)直接放入暫存器，就不會

ROinRo

破壞運算前Ro的內(nèi)容。

1ROout

]-

Rlin—Rj

Rlout

<--------

R2mR2—

R2out

R3inR?

——

R3out結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但數(shù)據(jù)傳輸存在

較多沖突的現(xiàn)象，性能較低。

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運重暑的基本結(jié)構(gòu)

CPU內(nèi)部總線

1.算術(shù)邏輯單元：主要功能是進行算術(shù)/邏輯運算。

2.通用寄存器組：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于

存放操作數(shù)（包括源操作數(shù)、口的操作數(shù)及中間結(jié)果）

和各種地址信息等。SP是堆棧指針，用于指示棧頂?shù)?/p>

地址。

3.暫存寄存器：用于暫存從主存讀來的數(shù)據(jù)，這個數(shù)

據(jù)不能存放在通用寄存器中，否則會破壞其原有內(nèi)容。

4.累加寄存器：它是一個通用寄存器，用于暫時存放

ALU運算的結(jié)果信息，用于實現(xiàn)加法運算。

5.程序狀態(tài)字寄存器：保留由算術(shù)邏輯運算指令或測

試指令的結(jié)果而建立的各種狀態(tài)信息，如溢出標志

（OP）、符號標志（SF）、零標志（ZF）、進位標志

（CF）等。PSW中的這些位參與并決定微操作的形成。

6.移位器：對運算結(jié)果進行移位運算。

7.計數(shù)器：控制乘除運算的操作步數(shù)。

結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，但數(shù)據(jù)傳輸存在

較多沖突的現(xiàn)象，性能較低。

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控*事的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)總線

CPU內(nèi)部總線

程序計數(shù)器：用于指出下一條指令在主存中的存放

1.PC

地址。CPU就是根據(jù)PC的內(nèi)容去主存中取指令的。因*-<H

PCout

程序中指令（通常）是順序執(zhí)行的，所以PC有自增

功能。

IRin

2.指令寄存器：用于保存當前正在執(zhí)行的那條指令。

3.指令譯碼器：僅對操作碼字段進行譯碼，向控制器

提供特定的操作信號。

4.微操作信號發(fā)生器：根據(jù)IR的內(nèi)容（指令）、PSWAdiRout時序系統(tǒng)

的內(nèi)容（狀態(tài)信息）及時序信號，產(chǎn)生控制整個計算

機系統(tǒng)所需的各種控制信號，其結(jié)構(gòu)有組合邏輯型和

存儲邏輯型兩種。微操作信號

5時.序系統(tǒng)：用于產(chǎn)生各種時序信號，它們都是由統(tǒng)指令譯碼器ID發(fā)生器

一時鐘（CLOCK）分頻得到。

6.存儲器地址寄存器：用于存放所要訪問的主存單元MARin

的地址。MAR

7.存儲器數(shù)據(jù)寄存器：用于存放向主存寫入的信息或

從主存中讀出的信息。

MDR-0—

MDRoutMDRoutE

MDRinMDRinE

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CPU的的本結(jié)構(gòu)

20

10

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CPU的林AM

CPU

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本節(jié)即K

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本節(jié)內(nèi)容

中央處理器

指令執(zhí)行過程

本章胤

會產(chǎn)生什么問題？

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指?局期

CPU從主存中每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間。

指UB常常用若干機?MWI來表示，機器周期又叫cpujmr

一個機■!嘉乂包含若干WJWI（也稱為斛、內(nèi)期或CPUIHHM!，它是CPU操作的單位）。

CLK「LTLn_nji_nLrLn_RnjT^L

兀，T、,乃，一?7b,。，△，73?%,。，乙，八

--機器周期———--機器周期一--——機器周期一?

（取指令）（取有效地址）（執(zhí)行指令）

——指令冏期------

（a）定長的機器周期

（狀態(tài)1機器周期一——卜機器周期一

（取指令）I（執(zhí)行指令）

--------------指令周期------------

乎不定長的機器周部（

每個指令周期內(nèi)機油中斯臚灰甯褊咐幽周期內(nèi)的節(jié)拍數(shù)也可以不等。

3

指令周期

每個指令周期內(nèi)機器周期數(shù)可以不等，每個機器周期內(nèi)的節(jié)拍數(shù)也可以不等。

一取指周期T

M4NOP

*-指令周期—*1

取指周期4ti；LL』；

inttlll4ADD

指令周期

取指周期—執(zhí)行周期

指令周期'

取指周期—+—間址周期T—執(zhí)行周期

*1*址指令周期

常常中斷周期取指周期間址周期T—執(zhí)行周期T—中斷周期

MA4

指令周期-------

4

2

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指令周期流程

指?局期流程

取指周期：1000

間址周期：0100

執(zhí)行周期：0010

中斷周期：0001

四個工作周期都有CPU訪存操作，只是訪存的目的不同。

“周那是為,是為了.執(zhí)

行UH是為了,中mu是為了A

3

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指?局用的聶事H￡取指周期

數(shù)

控

當前指令地址送至存儲器地址寄存器,

據(jù)

制1.

記做：(玲

總

總PC)MAR

線

U線

CP2.CU發(fā)出控制信號，經(jīng)控制總線傳到主

存，這里是■信號，記做：1TR

3.將MAR所指主存中的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線

送入MDR,記做：M(MAR)玲MDR

4.將MDR中的內(nèi)容(此時是指令)送入IR,

記做：(MDR)fIR

5.CU發(fā)出控制信號，形成下?條指令地

址，記做：(PC)+1PC

指?周期的數(shù)據(jù)海間址周期

也

數(shù)

控1.將指令的地址碼送入MAR,

止

據(jù)

制記做：Ad(IR)->MAR

總

總

總或Ad(MDR)3MAR

戔

線

PU線

2.CU發(fā)出控制信號，啟動主存做—,

記做:1玲R

3.將MAR所指主存中的內(nèi)容經(jīng)數(shù)據(jù)總線

送入MDR,記做：M(MAR)->MDR

存儲器4.將有效地址送至指令的地址碼字段，

記做：(MDR”Ad(IR)

4

第15頁共