计算机硬件工作原理

1、1、第3章，计算机硬件的工作原理，2、目录，3.1中央处理器，3.2内存，3.3总线系统，3.1.1中央处理器，3.1.1中央处理器的组成、结构和功能(一)中央处理器的功能，中央处理器有以下四个基本功能：1。操作控制中央处理器管理并产生从存储器中取出的每个指令的操作信号，并将各种操作信号发送给相应的部件，从而控制这些部件遵循指令。指令控制程序的顺序控制称为指令控制。3时间控制为各种操作实现时间上的定时，这称为时间控制。4数据处理数据处理是对数据进行算术和逻辑运算。5，(2)中央处理器的结构，图3-1中央处理器的简单模型，6，在图3-1中由缩写表示的含义：ALU表示算术逻辑单元Acc，累加寄存器

2、CU，控制单元PSWR，程序状态字寄存器IR，程序计数器MDR，存储器数据寄存器MAR，存储器地址寄存器7，2控制器的主要功能是：从主存储器中取出一条指令并指出下一条解码或测试指令，并产生相应的操作控制信号以开始指定的动作。命令和控制中央处理器、主存储器和输入/输出设备之间的数据流方向。(3)中央处理器中的主寄存器用于临时存储操作和控制过程中的中间结果和最终结果以及控制和状态信息。1通用寄存器通用寄存器可用于存储原始数据和运算结果，有些还可用作索引寄存器、计数器、地址指针等。累加寄存器Acc也是一个通用寄存器，用于临时存储ALU运算的结果信息。9，2特殊寄存器程序计数器(PC)程序计数器，也称

3、为指令计数器，用于存储正在执行的指令或下一个要执行的指令的地址。指令寄存器指令寄存器用于存储从内存中提取的指令。在指令从主访问暂时存储在指令寄存器中之后，指令寄存器的内容在指令执行期间不允许改变。10、内存数据寄存器(MDR)、内存地址寄存器(MAR)、pswr、11、3.1.2中央处理器指令系统，(1)指令系统概述计算机指令是机器指令的简称，是计算机硬件能够识别和执行的操作命令，并以二进制编码形式表示。从表面上看，指令和数据(在计算机中也以二进制代码的形式表示)没有区别，但是指令的二进制代码和数据的二进制代码具有根本不同的含义。每条指令指示计算机硬件完成指定的基本操作。任何一种计算机的基本指

4、令数量都是固定的，但是它们所编写的程序是无限的。指令系统是计算机可以执行的所有指令的集合。计算机的性能与其指令系统密切相关，而指令系统又与机器的硬件结构密切相关。一个完善的教学系统应具备以下特征：1完整性2有效性3规律性包括教学系统的对称、一致、一致的教学格式和数据格式。4兼容性兼容性兼容性主要指程序的可移植性。至少，它应该是“向上兼容的”，也就是说，运行在低端机器上的软件可以运行在高端机器上。一般来说，指令包括两部分：操作码和地址码。说明书还应包含以下信息：操作代码。操作数的存储地址。操作结果的存储地址。下一条指令的存储地址。(2)指令的格式，15。通常，一条指令包括一个操作码字段和几个地址

5、码字段。有些地址信息可以在指令中清楚地给出，这叫做显式地址；根据某种事先约定，它也可以以隐式方式给出，这被称为隐式地址。根据指令中显式地址的数量，16，1地址码结构可分为以下指令格式：四地址指令OP:操作码；A1:用于存储第一操作数的第一地址代码；A2:用于存储第二操作数的第二地址代码；A3:用于存储操作结果的第三地址码；A4:第四个地址码，存储下一条要执行的指令。17.三地址指令。三地址指令中的所有含义与四地址指令中的含义相同。由于指令计数器(也称为程序计数器，缩写为PC)，A4地址被省略。对于用三个地址指令编写的程序，这些指令必须存储在存储器中，以便由程序计数器的自动增量按顺序执行。如果程

6、序要转向，程序的执行顺序必须随分支指令而改变。18，双地址指令OP:操作码；A1:它同时作为第一个操作数地址和目的地址；A2:第二个操作数地址。19，地址指令中只给出一个操作数地址，而另一个操作数地址和目标地址是隐式的。该隐式地址是算术单元的累加器寄存器Acc。没有操作数地址的零地址指令称为零地址指令。当执行零地址指令时，操作数地址都是隐含的，指令格式只解释要做什么操作。如停止指令是零地址指令。21，2操作码编码操作码表示指令应该执行哪种操作。构成操作码字段的位数通常取决于计算机指令系统的大小，也就是说，操作码占用的二进制位越多，计算机可以允许的指令就越多。操作码字段有两种编码方案：第一种采用

7、固定长度的操作码，即操作码的长度是固定的；第二种类型采用可变长度的操作码，并且各种指令的操作码的位数是不同的，也就是说，操作码的长度是可变的，并且分散在指令的不同字段中。例如，下面的图3-2是扩展操作码的示意图。图3-2是扩展操作码的示意图。23.应该注意的是，扩展方法不是唯一的。由于有多种扩展方法，所以选择哪种方法是一个重要的原则：使用频率高的指令应该分配较短的操作码，而使用频率低的指令应该分配较长的操作码。寻址意味着找到操作数的地址或要执行的下一条指令的地址。指令寻址相对简单，可以细分为顺序寻址和跳转寻址。顺序寻址可以自动形成下一条指令的地址，方法是在程序计数器上加上“1”；跳转寻址是指程

8、序执行转移指令，需要通过程序转移指令来实现。在大多数计算机中，地址码的位数受指令长度的限制，不会太长，但主存的容量相对较大，导致指令无法访问主存的所有空间。如果为了扩大内存访问范围而设置更长的地址码，会导致指令过长和程序设计灵活性差的问题。在这种情况下，寻址技术被广泛使用，即地址码中给出的地址不是数据存储在主存储器中的实际地址，这被称为正式地址。正式地址需要一些操作来获得可以直接访问主存储器的地址，这被称为有效地址(通常由字母EA表示)。从正式地址生成有效地址的各种方法称为寻址方式，即寻址方式正式地址有效地址。以下是计算机中常用的一些基本寻址方式。1立即寻址指令中的操作数地址不是通常意义上的操

9、作数地址，而是操作数本身，也就是说，数据包含在指令中，只要提取了指令，就提取了可以立即使用的操作数。27，2寄存器寻址寄存器寻址指令的地址码部分给出通用寄存器的编号，该指定寄存器存储操作数。操作数s和寄存器Ri之间的关系是：s=(ri)，28，3直接寻址指令中地址码字段给出的地址a是操作数的有效地址，即形式地址等于有效地址：操作数S=(A)，29，4间接寻址意味着指令中给定的地址不是操作数的地址；但另一个地址的地址，间接寻址模式可分为寄存器间接寻址模式和存储器间接寻址模式。寄存器间接寻址模式操作数S=(R)、30和存储器间接寻址模式操作数S=(A0)、31、5。索引寻址模式将索引寄存器Rx的内

10、容与指令中给定的形式地址A相加，形成操作数有效地址，即EA=(RX) A.Rx内容称为索引值。正式地址是参考地址，索引寄存器提供偏移量6(基址)和偏移量7(相对地址)。32、(4)指令类型。计算机的指令系统通常有数百条指令。从它们完成的功能来看，一个相对完整的指令系统应该有以下几种指令：1 .数据传输指令。这些指令的功能是实现寄存器、寄存器和存储单元以及存储单元和存储单元之间的数据传输。2算术运算指令这些指令包括二进制定点加法、减法、乘法和除法指令、浮点加法、减法、乘法和除法指令、求反和求补指令、算术移位指令、算术比较指令、十进制加法和减法指令等。33，3逻辑运算指令这类指令包括逻辑加法、逻辑

11、乘法、逻辑比较、测量等指令、逐位加法、逻辑移位等指令。4程序控制指令程序控制指令也称为传输指令。当执行一个程序时，有时当机器执行一个指令时，会有几种不同的结果。此时，机器必须执行一个转移指令，并根据不同的结果进行转移，从而改变程序的原始执行顺序。5输入输出命令输入输出命令主要用于启动外围设备，检查和测试外围设备的工作状态，实现外围设备与中央处理器之间或外围设备之间的信息传输。字符串处理指令字符串处理指令是非数字处理指令，通常包括字符串传输、字符串转换(将一个编码字符串转换为另一个编码字符串)、字符串替换(用另一个字符串替换一个字符串)等。特权指令特权指令是指具有特殊权限的指令。此类指令仅用于操

12、作系统或其他系统软件，通常不直接提供给用户。除了上述指令之外，还有状态寄存器设置、复位指令、测试指令、暂停指令、无操作指令以及其他用于系统控制的特殊指令。35、3.1.3中央处理器的控制功能和原理，控制器是计算机系统的指挥中心，它将运算单元、存储器、输入/输出设备等部件集成为一体，然后根据指令的要求指挥整个机器的工作。(1)控制器的基本组成1指令组件的主要任务是获取和分析指令。指令部分包括：程序计数器指令寄存器指令译码器地址形成部分，36、2个时序部分能产生一定的时序信号，保证机器各功能部分能有节奏地进行信息传输、处理和信息存储。包括脉冲源起止控制逻辑拍信号发生器，37和3微操作信号发生器。指

13、令的获取和执行可以分解成许多基本操作，这些操作称为微操作。微操作信号发生器也称为控制单元。不同的机器指令有不同的微操作顺序。4中断控制逻辑中断控制逻辑是用于控制中断处理的硬件逻辑。38，1指令周期和机器周期指令周期是指从指令提取和分析提取到指令执行所需的总时间。不同指令的指令周期不同。机器周期也称为中央处理器周期。通常，一个指令周期被分成几个机器周期，每个机器周期完成一个基本操作。通用机器的中央处理器周期包括提取周期、提取周期、执行周期、中断周期等。(2)计时系统，在一个机器周期内39.2拍，完成几个微操作。因此，机器周期应该是di节拍的宽度取决于中央处理器完成微操作的时间。选择节拍有几种方法

14、：统一节拍法根据最复杂的机器周期确定节拍数，每个节拍时间的长度也根据最复杂的微操作确定。这种方法采用等时间间隔、等数量的均匀节拍，使所有机器周期长度相等，因此称为定长CPU周期。40，分布式节拍法根据机器周期的实际需要安排节拍数，并根据需要发出任意多的节拍，避免浪费，提高时间的利用率。因为每台机器的周期长度不同，所以称之为无限CPU周期。扩展节拍法考虑了大多数机器周期要求，并选择适当的节拍数作为基本节拍。如果某个机器循环中的统一节拍数不能完成该循环中的所有微操作，则可以延长一个或两个节拍。时钟周期插入，在节拍中由41和3个工作脉冲执行的一些微操作需要同步定时脉冲，例如将稳定的操作结果驱动到寄存

15、器中，以及切换机器周期状态。因此，一个或几个工作脉冲通常被设置在一个节拍中作为各种同步脉冲的源。在只有机器周期和时钟周期的微型计算机中，通常不再设置工作脉冲，因为时钟周期既可以用作电位信号，也可以用作脉冲触发信号的前后沿。多级计时系统，图3-4三级计时系统，43。(3)定时控制模式，1同步控制模式同步控制模式是固定定时控制模式，所有操作由统一的定时信号控制，并且在每个机器周期中产生统一数量的拍电位和工作脉冲。由于指令不同，操作时间不一致。同步控制模式应以最复杂指令的运行时间为统一的时间间隔标准。在同步控制模式下，每个指令所需的时序由控制器统一发送，所有微操作都与时钟同步，因此也称为集中控制模式

16、或中央控制模式。异步控制模式异步控制模式是可变定时控制模式。所有操作不是由统一的定时信号控制的，而是根据指令或组件的具体情况占用尽可能多的时间。异步控制使用不同的时间顺序，没有浪费时间，因此提高了机器的效率，但控制更复杂。由于在这种控制模式下没有统一的时钟，而是每个功能单元产生自己的定时信号进行自我控制，所以也称为分散控制模式或局部控制模式。45，3联合控制模式这是同步控制和异步控制的结合。事实上，现代计算机几乎不采用同步或异步控制模式，而且大多数都采用联合控制模式。通常的设计思想是在功能组件内部采用同步模式或主要基于同步模式的控制模式，在功能组件之间采用异步模式。46，(4)指令运行的基本过

17、程。在指令提取阶段，程序计数器中的内容被发送到存储器地址寄存器，并被发送到地址总线。读取命令由控制单元通过控制总线发送到存储器。从主存储器提取的指令通过数据总线发送到存储器数据寄存器。将MDR的内容发送到指令寄存器。增加电脑内容，为下一条指令做准备。47，图3-5提取周期的工作流程，48，2在提取阶段提取指令后，指令解码器标识可以识别和区分不同的指令类型。此时，计算机进入分析和检索阶段以获取操作数。3.执行阶段执行阶段完成指令中指定的各种操作，形成稳定的操作结果，并存储它们。在执行阶段完成任务的时间称为执行周期。控制器的硬件实现控制器的核心是微操作信号发生器(控制单元CU)。微操作控制信号是通过组合由指令部件提供的解码信号、由定时部件提供的定时信号和由受控功能部件反馈的状态和条件而形成的。控制单元的输入包括定时信号、机器指令操作码和各种部件的状态反馈信号