计算机的工作原理

1、第三章计算机的工作原理3.1计算机的结构特点一、冯.诺伊曼体系结构冯.诺依曼结构计算机的组成和工作原理。特点：1、由运算器、存储器、控制器和I/O设备组成；2、指令和数据以同等地位存放在存储器中，按地址寻访；3、指令和数据均以二进制表示；4、指令由操作码和数据组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数存放在存储器中的地址；5、指令在存储器中顺序存放，顺序执行，特定情况下根据条件改变执行的顺序；6、机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器完成。二、中央处理器(CPU)的组成1、运算器：运算器由算术逻辑部件(ALU)和一些寄存器组成，是直接进行数据交换和运算的部

2、件；2、控制单元：控制单元用来指挥和控制程序和数据的输入、运行和处理。3、寄存器：寄存器组：用于存储数据；累加器(ACC):提供给ALU的两个操作数之一，并存储计算结果；标志寄存器(FR):用于存储某些重要的状态和特征，每个状态用一位标志；程序寄存器：用于存放下一条要执行指令的地址码；指令寄存器：存放当前要执行的指令，由指令译码器进行译码，确定应进行什么操作通过操作控制器产生相应的控制信号。地址寄存器、数据寄存器。4、协处理器：三、冯.诺伊曼结构的演化1.控制部件设计的多样化a) 用逻辑电路设计实现；b) 微程序设计实现。2.采用总线结构总线：是连接各部件的一组公共信号线，是传送信号和代码的公

3、共通道。所谓总线实际上就是一组信号连线，每个计算机部件都要与这组信号向相连，每根信号线只有两个状态，高电平和低电平。有关；2）地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存中的地址，是单向传输总线，地址总线的个数与存储器单元的个数有关，称为寻址能力；3）控制总线：用来发出各种控制信号的传输线，每一根控制总线是单向的。常见的控制总线有：1）时钟，2）复位，3）中断请求，4）存储器读、写，5）I/O读、写。由于数据总线是双向总线，每个部件都可以向数据总线上发出数据信号，也可以接收数据总线上数据信号。同一时刻只能有一个部件发出数据信号，其它部件可以接收数据信号。一般来说每一次的数据传输都是CP

4、U与某一个特定的部件之间的数据传输，其它部件需要与数据总线“断开”，这就需要有一个三态门来实现。控制端控制端输入输出00001110高阻抗11高阻抗利用三态缓冲器就可以实现器件与总线之间的“开”和“关”，输入和输出分别与器件和总线的数据线相连，控制端由控制线和地址线组合逻辑产生。同样利用三态缓冲器也可以实现双向的数据总线。（P47，图3.4）3. 以存储器为中心现代计算机已经从以运算器为中心转化为以存储器为中心。存储器用来存放数据和程序。主存储器可以分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。主存储器通过数据总线、地址总线和控制总线同CPU相连。对主存储的操作分为两种：读操作和写操作。读操

5、作是从存储器中取出信息的过程；写操作时将信息写入存储器的过程。在主存储器中包含大量的存储单元，每个存储单元可以存储一个数据，数据长度可以是8位，16位，32位或64位。CPU每一次只能对存储器中的一个存储单元进行读操作或写操作，CPU通过地址总线将一组地址信号发送到地址译码器，地址译码器译出该地址，选中相应的存储单元，然后CPU在发出一个读信号或写信号，读写信号用来控制数据传送的方向。（参考图3.4中的C1和C2信号）CPU对存储器的读写过程参考p48,p49，图3.5和3.4。4. 输入/输出系统功能的加强3.2指令系统前面我们了解了计算机的基本结构，那么我们如何指挥计算机来完成某项工作哪？

6、这就需要向计算机（CPU）发出一系列的指令，CPU执行这些指令来完成某项工作。一般来说CPU只能完成一些简单的、基本的操作，每一个基本操作称作一个指令，CPU所能够执行的所有指令是有限的，这些指令构成的集合称为指令系统。每一个CPU的指令系统都是不同的。一、指令系统的基本概念机器指令：命令机器做某种操作的一条语句称为一个机器指令。指令是CPU唯一能识别的语言。指令在计算机内部是以2进制的数码来表示的，位数可以是8位、16位、32位等等。每一条指令的执行一般都是由一个特定的硬件电路或一组硬件电路来实现。指令系统：全部机器指令的集合称为指令系统。二、指令格式操作码操作数/操作数地址操作码：是一条指

7、令的操作类型或作用；操作数：代表需要处理的数，或参与操作数的地址。在一条指令中，操作码有且只能有一个，而操作数可以不止一个，也可以一个没有。有些计算机系统中要求每条指令的位数是相同的，有些计算机系统中指令的位数可以是不同的，一般来说操作码的位数是相同的，而操作数的位数有可能不同。对一个包括n位的操作码来说，最多可以表示2n条指令。三、指令系统实例某计算机系统中，指令字长为16位，操作码为8位，操作码为8位，ACC为寄存器，累加器。8位地址总线，16位数据总线。操作码意义助记符00H力口，A+NUMTAADDA,NUM(数字)01H减，AdNUMTASUBA,(ADDR)02H乘，A*ADDR存

8、储单元中的数据TAMULA,(ADDR)03H除,A/ADDR存储单兀中的数据TADIVA,(ADDR)04H逻辑与，AandNUMTAANDA,NUM05H取数，将一个数取到A中LDA，NUM06H存数，将A中的数保存到ADDR存储单兀中MOV(ADDR),A07H停机STOP下面我们来编制程序实现：5x2+6x+7二（5x+6）x+7，其中x存放在07H存储单元中，计算结果保存在08H单元中。内存地址内存单元的内容（机器语言程序）完成功能助记符（汇编语言程序）OOH0505HAG5LDA,501H0207HAA*xMULA,(07H)02H0006HAGA+6ADDA,603H0207HA

9、A*xMULA,(07H)04H0007HAGA+7ADDA,705H0608H(08H)AMOV(08H),A06H0700H停机STOP07HX0BH结果3.3中央处理器（CPU）一、CPU的基本结构1）数的存储：寄存器、锁存器、存储器输入数据线输出数据线1r锁存信号/写信号寄存器/锁存器/存储器1/输出允许/读信号-2）累加器AC：运算之前保存一个操作数，运算之后保存运算结果，CPU中可以有一个或多个累加器；3）通用寄存器组：可以用来保存数据，也可以参与计算，存取非常速度快，但一般数量不多4）标志寄存器：用来记录CPU当前运行的一些状态，如加减法的进位，溢出，计算结果的正负，运算结果是否

10、为0等等；5）程序计数器PC：存放下一条要执行的指令的地址码；6）地址寄存器AR：与地址总线相连，给出操作内存单元的地址；7）指令寄存器IR：保存取出的指令码；8）数据缓冲寄存器DR：与数据总线相连，保存要写入内存的数据或从内存中读出的数据；9）指令译码器：解释指令码的意义。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*数据总线地址总线内存1）取指令：PC地址T地址寄存器T地址总线控制单元T读信号数据总线T数据缓冲寄存器T指令寄存器T译码器T操作单元PC地址+12）读数据：地址码T地址寄存器T地址总线CUT读信号数据总线T数据缓冲寄存器TACC3）写数据：地址码T地址寄存器T地址总线ACCT数据缓冲寄存器T数据总线CUT写信号举例：计算5+6，结果保存在08H的存储单元中助记符操作码操作数说明LDA,505H05H将5取入寄存器AADDA,6OOH06HA加上6存入AMOV(8),A06H08HA存入存储单元8STOP07HOOH停机CPU工作过程：取操作码T取操作数一取操作码T取操作数一执行

12、加法T取操作码一取操作数T存数T停机三、CPU的控制器和机器时钟CPU取指令、取操作数、存数等等的一系列的操作都可以分解为若干个微操作，同时需要CU发出相应的信号来指挥CPU中的各个部件，以及CPU外部的各个部件协调工作。时序：正确执行一条指令时，为该条指令中的每个微操作所安排的时间表称为时序。计算机中的时间最基本的单位是机器时钟，由机器时钟可以产生出多个周期。时钟周期：一个时钟信号的周期称为时钟周期；机器周期：CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期；指令周期：CPU完成一条指令所需要的时间称为指令周期。34CPU控制器的设计问题一、CPU控制器的设计方法1、数字逻辑设计方法微操作控制

13、微操作：每条指令的执行过程可以分解为若干个小的操作，其中每个操作称为一个微操作。比如：加法需要进行如下一系列操作：ACCT加法器；地址码T地址寄存器T地址总线；数据总线T数据缓冲寄存器T加法器；加法器进行加法运算；结果TACC。设计方法：1) 分解每一条指令为若干个微操作2) 为每个微操作设计逻辑电路；3) 每一条指令的控制电路由若干个微操作的逻辑电路组合而成缺点：1)设计过程复杂，各条指令之间的微操作有许多是相同的；2)CPU一经设计好，很难改变功能。2、微程序设计方法后继微指令地址状态条件CLK微指令：将每个微操作看作是一条指令，称为微指令；微程序：每条指令可以看作是一段微程序；将每条指令

14、的微程序存放在CPU内部的存储器中，称为控制存储器，一条指令的执行相当于执行一段相应的微程序。优点：1) 设计过程相对简单，相当于把硬件设计的一部分转化为软件设计；2) 改变CPU的功能非常方便，只需修改控制存储器中的微程序即可。二、流水线技术1、流水线的基本概念：1)流水线的思想：每条指令的执行都可以分为若干个步骤。早期的CPU指令是串行执行的，现代的CPU是将这些步骤重叠执行。无流水线CPU的执行过程：取指译码执行取指译码执行取指译码执行第一条指令第二条指令第三条指令3级流水线CPU的执行过程:第一条指令取指译码执行第二条指令取指译码执行第三条指令取指译码执行2)流水线：是指把一个重复的处

15、理过程分解成若干个子处理过程，每个子过程可以与其它的子过程同时进行处理。3)8086CPU的流水线结构：8086将CPU分为两个部件：执行部件EU和总线接口部件BIU。BIU中有一个16字节的指令队列,当队列中出现2个以上的空字节时,BIU自动从总线上读入指令填入队列。当遇到转移指令时，EU向BIU发出控制信号和新地址，BIU清除队列中的内容，重新装入指令码。4)7级流水结构：现代的微处理器一般采用7级流水线。2、流水线的种类：指令流水线和数据流水线。3、流水线的问题：1) 控制相关；2) 部件相关；3) 数据相关。三、RISC技术CISC，复杂指令系统计算机(ComplexInstructi

16、onSetComputer)；RISC，简化指令系统计算机(ReducedInstructionSetComputer)oCISC系统的问题：对复杂指令系统的解释和设计导致CPU结构复杂，流水线技术不容易实现,提高CPU的频率有困难。RISC系统的问题：对编译器的要求比较高，汇编程序不容易看懂。RISC的特点：大多数指令是单机器周期指令，指令周期=机器周期。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