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第4章CPU的信息处理 主讲教师 王斌 计算机与通信工程学院计算机应用技术系 重点 CPU的工作原理 指令及指令周期的概念 CPU访问主存储器的工作原理 要求 了解图灵机计算的原理 掌握CPU的内部组成 及指令在CPU中执行的过程掌握CPU访问主存储器的工作原理 了解指令系统及各种类型的指令 本章内容 1 图灵机 计算机的理论模型 图灵机 不是一种具体的机器 而是一种抽象的理论模型 人们根据该模型可制造出一种结构简单但运算能力却极强的计算装置 即计算机 图灵认为图灵机可以用有限的 机械的步骤解决具体的计算问题 这些步骤称为 算法 图灵机装置一条无限长纸带一个读写头一套控制程序 状态转移表 一个状态寄存器 图灵机 控制程序指令序列 实现状态转移 基本指令动作翻转移动停止 图灵机的工作过程 注意 指令和数据均可用二进制表示 图灵机的理论模型 Q 有穷状态集 有穷输入字符集 有穷输入带字母表 状态转移函数 q0 初始状态 B 空格符 F 有穷终结状态集 图灵机实例 Q s1 s2 s3 s4 s5 H 0 1 1 q0 s1B 0F H 见下页 输入 若干个连续的1输出 复制输入 并在输入和复制结果之间用0连接例如 输入11则输出11011 则该问题的图灵机如下 图灵机实例 状态转移函数 图灵机执行过程 PrintOperationN无操作P1打印1E擦除 或打印0 注意 初始状态下 读写头停在输入串最右边的字符 图灵机意义 为设计计算机 硬件 指明了方向为算法和程序设计 软件 提供了理论依据因此是计算机学科最重要的理论基础 2020 1 9 10 1 3图灵机计算实例f x 2x 在二进制图灵机上计算函数f x 2x x 0 即x和f x 都用二进制表示 磁带方格中只能用0和1两个符号 B表示空白 约定 1 开始时 磁带上只有一个连续的方格串上放入x的相应的二进制值符号 其余方格都为空白 2 机器从状态q1开始 磁头指向x最左一位所在的方格 3 停机时 磁带上非空方格串所组成的二进制值即代表f x 2020 1 9 11 在前面的约定下 计算f x 2x的图灵机程序如下 其中Halt表示停机 Error表示在计算中不会出现 2020 1 9 12 1 3图灵机计算实例f x 2x 为什么以x的二进制数为符号作为磁带初始值 为什么停机后磁带上的二进制值就是最终结果 为什么有7种状态 为什么在每种状态中要进行这些动作 这就是所谓的图灵机程序设计 2020 1 9 13 1 3图灵机计算实例f x 2x 开始 第1步 第2步 2020 1 9 14 1 3图灵机计算实例f x 2x 第3步 当前状态q2 B被扫描 2020 1 9 15 1 3图灵机计算实例f x 2x 第5步 第4步 第3步 2020 1 9 16 1 3图灵机计算实例f x 2x 第8步 第7步 第6步 2020 1 9 17 1 3图灵机计算实例f x 2x 第11步 第10步 第9步 2020 1 9 18 1 3图灵机计算实例f x 2x 第14步 第13步 第12步 2020 1 9 19 1 3图灵机计算实例f x 2x 第17步 第16步 第15步 2020 1 9 20 1 3图灵机计算实例f x 2x 第20步 第19步 第18步 2020 1 9 21 1 3图灵机计算实例f x 2x 结束 f 2 22 4 第21步 第22步 2 中央处理器 CPU 2020 1 9 北京大学 23 2 中央处理器CPU 中央处理器 CPU 的任务是执行 程序 CPU CentralProcessingUnit 计算机的核心微型计算机使用的CPU通常称为MPU MicroProcessorUnit 其他部件与CPU协同工作 中央处理器 2020 1 9 北京大学 24 CPU内部结构寄存器组 算术逻辑运算部件 程序控制部件 中断处理部件 2 1CPU的组成及程序控制原理 程序控制 2020 1 9 25 由多个高速寄存器组成的高速存储单元用于暂时存储运算数据或其他类型的信息整数操作数或结果浮点数操作数或结果跳转地址程序代码地址内部各种标志信息 寄存器组 2020 1 9 北京大学 26 程序控制部件 ProgramControlUnit 程序控制部件 CPU的控制中心 负责解释指令 根据指令的解释去发出命令 控制计算机其他各部分的活动 并对CPU的工作进度和工作方式进行控制 CPU依据输入的指令进行工作当一条指令进入CPU后 程序控制部件分析解释该指令的编码内容 确定每一种指令应该完成的动作 及其连带的指令有关参数 如 加法指令 连带的2个被加数的地址指挥主存储器将数据送到CPU中来 将结果数据存入寄存器或内存中 程序控制 程序控制 2020 1 9 27 算术逻辑运算部件ALU 算术逻辑运算部件 执行算术运算和逻辑运算的部件加法的例子一条加法指令 连带指出参与运算的两个被加数的地址 进入CPU 程序控制部件分析该指令 判断操作数在寄存器还是内存中如果在内存 从内存读入操作数提交加法运算让ALU进行计算指示把计算结果存放到寄存器或内存中 程序控制 2020 1 9 28 中断处理部件 CPU还有一个处理中断的部件 用于处理意外情况 问题背景 处理临时出现的紧急事件 如鼠标移动 中断的处理 发现中断信号 程序控制部件暂停正在运行的程序 保存该程序的运行现场 当前所有执行状态信息 以便其恢复执行 根据中断信号从特定位置启动中断处理程序 操作系统提供 处理中断 中断处理完毕后 回到原来的程序工作轨道继续工作 中断的产生 各种软硬件 中断信号 中断的详细信息 中断的接收 CPU中的中断处理部件接收 中断信号的编码 中断处理程序起始地址 中断的检测 程序控制部件在每次指令执行后 都检测是否出现中断信号 2020 1 9 29 工作主频 内频时钟频率 1 7 3 0GHz运算字长 CPU一次能够处理的二进制位数 32bit 64bit运算速度 每秒钟执行的指令数 1000MIPS MillionInstructionsPerSecond 例 Pentium4 3 73GHz主频 800MHz总线频率 2MBL2 CPU主要性能指标 29 3 主存储器 内存 及其与CPU之间的数据传输 2020 1 9 31 3 主存储器 内存 主存储器用来在计算机中存储CPU可直接访问的数据主存储器的工作速度和容量对计算机系统整体性能影响极大主存储器容量基本计量单位为字节 Byte 目前常见的计算机标配内存容量多为1GB 2GB 4GB 内存储器 内存条 2020 1 9 32 3 1存储单元 主存储器具有存储数据和读写数据的功能除非特意改变 清除或意外掉电 存储在主存储器基本存储单元 一个二进制位 中的信息 0或1 不会发生变化通过读操作 可取出存储单元中的比特信息通过写操作 可更改存储单元中的比特信息为1或0通过清除操作 可把存储单元的的比特信息置0为了更有效地进行管理 主存储器通常以8个比特 一个字节 为一个存储管理单元 存储单元 每个存储单元都有其特定的唯一的地址 存储地址 存储地址为整数编码 可表示为二进制整数表示主存储器的所有存储单元的地址 称为地址空间 表示地址空间所需的二进制位数 称为地址宽度 内存容量越大 地址空间也就越大 地址宽度也必须相应加大 32 2020 1 9 33 主存储器地址访问方式 访问主存储器使用地址访问方式存储地址一个存储单元或相邻几个存储单元的开始地址CPU的字长通常为4个字节 32位 或8个字节 64位 因此CPU读写内存数据的方式也通常是每次4个字节或8个字节程序中的变量和存储单元相对应变量名字对应于存储单元地址变量内容对应于存储单元中的数据指针的内容是存储地址 33 2020 1 9 34 3 2主存储器的组成 主存储器由大规模集成电路的存储芯片组装而成容量指标 单芯片上已经可达4G比特的容量存储芯片必须加电才能保存信息 掉电则信息丢失速度指标 一次读写大约在几十纳秒 ns 左右主存储器采用随机访问技术 RAMRandomAccessMemory 访问时间不随访问地址的不同而不同也不受访问地址的变化规律不同而不同读写任意地址的存储单元其访问时间是一定的 2020 1 9 35 存储校验技术 通过奇校验或偶校验发现差错 多应用用于服务器专用内存上方法 增加一个奇校验位或偶校验 使得二进制数据中1的个数总为奇数个或偶数个例 奇校验 10位二进制数 增加一个位 共11位0011001011 00011001011 5个11001101101 11001101101 7个1例 偶校验 10位二进制数 增加一个位 共11位0011001011 10011001011 6个11001101101 01001101101 6个1 3 2主存储器的组成 3 3存储总线与数据传输 指令和数据都通过存储总线从主存向CPU传递存储总线由并行排列的线路组成分三组数据总线 用于传递数据地址总线 用于传递主存储器地址控制总线 用于各种控制信息的传递 如读 写等 37 CPU和主存储器间的数据传输 CPU和主存储器之间通过控制总线 数据总线和地址总线的相互配合交换信息 CPU读取主存储器中的数据时 首先把存储单元地址送入地址总线 并通过控制总线发出一个 读 信号主存储器接收到 读 信号 根据地址总线上的地址信息 根据需要 把连续几个存储单元的数据读出 送到数据总线上CPU从数据总线上获得读取的数据CPU把地址送出后 一定时间后数据总线才有数据 CPU写主存储器的过程类似 总线的宽度 总线数据传递都采用并行传递方式 数据总线的宽度一般和CPU的字长相一致目前CPU一般采用32位或64位的数据总线数据总线宽度决定了一次传送数据量的大小CPU的地址总线宽度决定了主存储器地址空间的大小16位地址 64K 32位地址 4G 64位地址 天文数字 总线可划分为内部总线和外部总线内部总线 在北桥芯片组的控制下 负责主存储器和CPU的地址 数据和指令传输 以及和AGP显卡的高速数据交换外部总线 在南桥芯片组的控制下 负责主存储器和音频及外设的较慢的数据交换 2020 1 9 39 内部总线 数据总线 地址总线和控制总线数据 指令 地址和控制信号 外部总线数据流 3 3存储总线与数据传输 计算机内部的数据流动 输入设备 输出设备 中央处理器CPU 内存储设备MEMORY 数据流 指令流 数据流 数据流 外存 4 指令系统 4 指令系统 指令 programinstruction 是组成程序的基本单位 每一条指令用来规定CPU执行指令应该完成的工作 运算 或其它控制动作 控制CPU其他部分执行微操作 完成指令所规定的功能 CPU的指令系统实际上是CPU芯片的硬件与使用它的软件之间的一种严格的协议 反映了CPU能够完成的全部功能 CPU的 指令系统 规定了它所能执行指令的全部类别 规定了指令的编码方式和每一类指令所涉及的参数等 2020 1 9 43 4 指令系统 每一条指令用若干字节的二进制编码表示 包括它要完成的动作及其连带参数 为了便于理解 我们将在下一讲结合汇编语言来讲指令系统 并以汇编指令来介绍指令的分类 存储访问指令算术运算指令逻辑运算指令条件判断和分支转移指令输入输出指令其他用于系统控制的指令 指令和程序 指令 计算机能够识别的 命令 指令系统 计算机能够识别的所有指令的集合 包括 数据传送指令 数据处理指令程序控制指令输入 输出指令其他指令 程序 按一定顺序组织在一起的指令序列 指令的一般格式 1 ADDAH BH 2 MOVCH AH 3 PUSHAX 4 RET 执行过程 指令执行过程取指令分析指令读取操作数执行指令存放结果程序计数器加1程序执行过程 不断地执行各条指令的过程 程序计数器 计算机的工作过程 计算机工作过程就是执行程序的过程 2020 1 9 北京大学 48 小结 电子计算机的数学理论模型 图灵机CPU的内部结构和工作原理寄存器组 算术逻辑运算部件 程序控制部件 中断处理部件指令工作周期 取指令和执行指令两个阶段主存储器与CPU之间的联系方式 2020 1 9 49 作业 习题 1 计算机中进行数据运算的子系统是 a CPUb 主存储器c I O硬盘d 以上都不是2 是可以存放临时数据的独立存储单元 a ALUb 寄存器c 控制单元d 磁带驱运器3 是可以对两个输入相加的单元 a ALUb 寄存器c 控制单元d 磁带驱运器4 CPU中的寄存器可以保存 a 数据b 指令c 程序计数值d 以上都是5 一个有5根线的控制单元可以定义 种运算 a 5b 10c 16d 32 a b a d d 6 一个字是 位 a 8b 16c 32d 以上的任意一个7 如果存储器地址空间是16MB 字长为8位 那么存取一个字需要 位 a 8b 16c 24d 328 CPU寄存器应该是 速存储器 a 高b 中c 低d 以上任一个 b b a 9 线用于连接CPU和主存 a 数据b 地址c 控制d 以上都是10 如果字长为2字节 数据总线需要 根线 a 2b 4c 8d 1611 如果存储器容量为2 32个字 那么地址总线需要 根线 a 8b 16c 32 d 6412 8线控制总线可以定义 种运算 a 8b 16c 256d 512 a b a c 13 计算机中运行程序的三个步骤是按 特定顺序执行的 a 取指令 执行 译码b 译码 执行 取指令c 取指令 译码