计算机硬件系统组成.ppt

1、计算机硬件系统组成、计算器、控制器、主存储器、输入设备、输出设备、总线和输入输出接口、高速缓存、虚拟存储器(磁盘设备)、第6章中央处理器(简称中央处理器)、6.1中央处理器(简称中央处理器)是用于实现运算和控制功能的部件。算术单元用于完成数据的算术和逻辑运算。中央处理器的内部寄存器用于临时存储操作数和运算结果。控制器通常由指令寄存器、指令解码器和控制电路组成。指令是一组二进制编码信息，主要包括两个内容：一是告诉计算机做什么；第二是指出操作数或操作数地址。控制电路根据指令的要求向微机的各个部分发送一系列相应的控制信息，使它们能够协调有序地工作。第6章中央处理器，6.1中央处理器结构1。结构框图，

2、AB，DB，CB，2。当用计算机解决一个问题时，我们必须首先为它编写一个程序。程序是一系列指令，它清楚地告诉计算机做什么和在哪里找到操作数据。一旦程序被加载到内存中，获取指令和执行指令的任务就可以由计算机自动完成。专用于此任务的计算机组件是中央处理器。中央处理器对整个计算机系统的运行极其重要。它有以下四个基本功能：(1)指令控制程序的顺序控制称为指令控制。因为程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按照程序指定的顺序执行。(2)操作和控制指令的功能通常是通过组合几个操作信号来实现的。因此，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到相应的组

3、件，从而控制这些组件根据指令的要求进行操作。(3)时间控制各种操作的定时被称为时间控制。在计算机中，各种指令的操作信号和指令的整个执行过程都是严格按时间计时的。(4)数据处理数据处理是对数据进行算术和逻辑运算。6.2控制器1。控制器的分类微程序控制器硬线控制器计算机的功能是执行程序，这些程序是按顺序排列的指令代码。控制器的功能是正确地、自动地、连续地执行指令，并正确地、逐步地完成每条指令规定的功能。此外，它还将协调操作的每一步所需的控制信号发送给计算机的所有功能部件，以及每条指令的执行步骤。读取指令的指令地址，并将其发送到主存储器地址寄存器，以读取主存储器。读取的内容被发送到指定的寄存器，以根

4、据指令的指定内容分析不同指令的操作步骤的数量，这与特定的操作内容有很大的不同。检查是否有中断请求。如果有，转到中断处理。如果没有，转到下一条指令的执行过程，形成下一条指令地址。6.2控制器二。控制器的功能(1)接收指令(2)分析指令(3)执行指令(4)输入输出操作(5)处理异常(3)。控制器的组成根据对控制器功能的分析，控制器的基本组成如下：(1)程序计数器(PC):为了保证程序的连续执行，程序计数器起着这个作用，所以它常被称为指令计数器。在程序开始执行之前，它必须将其起始地址，即程序的第一条指令所在的存储单元的地址，发送给PC机，所以PC机的内容就是从存储器中提取的第一条指令的地址。当执行一

5、条指令时，中央处理器将自动修改个人计算机的内容，以便它始终保持下一条要执行的指令的地址。由于大多数指令是按顺序执行的，因此修改过程通常只是简单地将1添加到PC中。然而，当遇到诸如JMP指令的分支指令时，后续指令的地址(即，个人计算机的内容)必须从指令的地址段获得。在这种情况下，从内存中取出的下一条指令将由分支指令指定，而不是像通常那样按顺序取出。因此，程序计数器的结构应该具有注册信息和计数的功能。(2)地址寄存器：地址寄存器用于存储当前中央处理器访问的存储单元的地址。因为内存和中央处理器的运行速度不同，所以必须使用地址寄存器来保存地址信息，直到内存读/写操作完成。当中央处理器和内存交换信息时，

6、即当中央处理器从内存中存储/提取数据时，或当中央处理器从内存中读取指令时，应使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。类似地，如果我们将外围设备的设备地址视为内存的地址单位，那么当中央处理器和外围设备交换信息时，我们也使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。(3)数据缓冲寄存器：数据缓冲寄存器用于临时存储从内存中读取的指令或数据字；相反，当指令或数据字存储在存储器中时，它们也临时存储在数据缓冲寄存器中。缓冲寄存器的功能是：(1)作为中央处理器、存储器和外部设备之间信息传输的中转站；(2)补偿中央处理器、存储器和外围设备之间的运行速度差异；(3)在单累加器结构的算术单元中，数据缓冲寄存器也可以用作操作数寄存器。(

7、4)指令寄存器指令寄存器用于存储当前正在执行的指令。当一条指令被执行时，它首先从内存中被提取到缓冲寄存器，然后被传送到指令寄存器。指令分为操作码和地址码字段，它们由二进制数组成。要执行任何给定的指令，必须测试操作码以识别所需的操作。这就是指令解码器的功能。指令寄存器中操作码字段的输出是指令解码器的输入。一旦操作码被解码，它可以向操作控制器发送特定操作的特定信号。(5)累加器寄存器：累加器寄存器是一个通用寄存器。其功能是在执行算术或逻辑运算时，为算术单元的算术逻辑单元(ALU)提供一个工作区。累加寄存器暂时存储算术逻辑单元运算的结果信息。显然，算术单元中必须至少有一个累加寄存器。目前，中央处理器

8、中有多达16个、32个甚至更多的累加寄存器。当使用多个累加器时，它成为一个通用寄存器文件结构，其中任何一个都可以保存源操作数和结果操作数。在这种情况下，需要以指令格式寻址寄存器编号。(6)状态条件寄存器(PSW):状态条件寄存器存储由算术指令和逻辑指令的运算或测试结果建立的各种条件码内容，如运算结果进位标志(C)、运算结果溢出标志(V)、运算结果零标志(Z)、运算结果负标志(N)等。这些标志位通常由1位触发器存储。此外，状态条件寄存器还存储中断和系统工作状态等信息，使中央处理器和系统能够及时了解机器运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是由各种状态条件标志组成的寄存器。(7)脉冲源和启停

9、电路：脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整机的时钟脉冲，它是机器周期和工作脉冲的参考信号。当机器刚通电时，它也应该产生一个复位信号。启停电路确保阻塞时钟脉冲的可靠发送，并控制定时信号的产生或停止，从而启动或停止机器。(8)机器启动时，在CLK时钟的作用下，时钟控制信号形成部分根据当前执行指令的需要产生相应的定时控制信号，并根据受控功能部分的反馈信号调整定时控制信号。定时控制信号形成单元、解码、红外、个人计算机、输出设备、输入设备、主存储器、算术单元、定时、开始和停止、地址寄存器、数据总线硬件连接控制器、控制存储器、映射、红外、个人计算机、输入设备、主存储器、算术单元、低位地址、数据总线。微程序设

10、计方案的控制器；4.控制器的基本电路(1)具有存储功能的触发器及其寄存器、计数器和存储单元。它的特点是当输入信号消失时，源信号保留在其中。(2)无记忆功能的门电路及其加法器、算术逻辑单元和各种逻辑电路等。它的特点是当输入信号改变时，输出也随之改变。5.指令执行过程(1)基本概念1。指令周期：中央处理器从内存中取出指令并执行的总时间。2.中央处理器周期：也称为机器周期。中央处理器一次访问内存需要很长的时间，所以它被定义为从内存中读取一个指令字的最短时间。3.时钟周期：通常称为拍脉冲或T周期。一个中央处理器周期包含几个时钟周期。下图显示了指令周期与固定长度的中央处理器周期的示意图。(2) CLA命

11、令CLA是一条非访问指令，需要两个中央处理器周期，包括取指令阶段的一个中央处理器周期和指令执行阶段的一个中央处理器周期。1指令提取阶段(1)程序计数器PC的内容20(假设)被加载到地址寄存器ar中；(2)将程序计数器加1，并将其改为21，为下一条指令做准备；(3)地址寄存器的内容放在地址总线上；(4)选择的存储单元20的内容通过数据总线传送到数据缓冲寄存器dr；(5)缓冲寄存器的内容被转移到指令寄存器IR；(6)指令寄存器中的操作码被解码或测试；(7)中央处理器识别出它是指令CLA，并且指令获取阶段结束。(1)运算控制器向算术逻辑运算单元ALU发送控制信号；(2)响应控制信号，算术逻辑单元清除

12、累加寄存器的所有内容，从而执行共轭亚油酸指令。加法指令的指令周期由三个中央处理器周期组成。取指令阶段与CLA基本相同；2。发送操作数地址第二个中央处理器周期主要完成发送操作数地址。在这个阶段，中央处理器只有一个动作，即把指令寄存器中的地址码部分(30)装入地址寄存器，其中30是用于在存储器中存储操作数的地址。3。两个操作数的加法在第三个中央处理器周期中，取操作数和执行加法的操作主要完成。在此阶段，中央处理器完成以下动作：(1)将地址寄存器中操作数的地址(30)发送到地址总线；(2)从存储单元30读取操作数(6 ),并通过数据总线将其传输到缓冲寄存器。(3)加法运算的执行：来自数据缓冲寄存器的操

13、作数(6)可以被发送到算术逻辑单元的一个输入端，而一直在累加器中等待的另一个操作数(因为在执行CLA指令后累加器的内容为零)被发送到算术逻辑单元的另一个输入端，因此算术逻辑单元将这两个数字相加，产生0.66的运算结果。这个结果被放回累加器，取代累加器中原来的数字0。(4) STA 40指令1。取指令阶段与CLA基本相同；发送操作数地址在第二个中央处理器周期中，中央处理器完成的动作是将指令寄存器中地址码部分的形式地址40加载到地址寄存器中。其中数字40是操作数地址。在存储和计数执行阶段的第二个中央处理器周期中，累积寄存器的内容被传送到缓冲寄存器，然后被存储在选定的存储单元中。中央处理器完成以下动

14、作：(1)累加器(6)的内容被传送到数据缓冲寄存器DR；(2)将地址寄存器的内容(40)发送到地址总线，其中40是要存储的数据6的存储单元号；(3)将缓冲寄存器的内容发送到数据总线；(4)数据总线上的数字被写入选定的存储单元，即数字6被写入第40号存储单元。注意：在此操作之后，累加器仍然保留总数6，并且存储器的40号单元中的原始内容被刷新。这是一个空操作指令。在第一个中央处理器周期中，指令被取出，并且中央处理器取出单元23的“NOP”指令并将其放入指令寄存器中，并且在第二个中央处理器周期中执行该指令。因为解码器解释“NOP”指令，所以操作控制器在第二个中央处理器周期中不发送任何控制信号。NOP

15、命令可用于调整机器。(6) JMP 21指令JMP指令的指令周期由两个中央处理器周期组成。1.在第一个中央处理器周期(取指令阶段)，中央处理器取出24号单元的“JMP 21”指令，并将其放入指令寄存器，同时，程序计数器的内容增加1，变为25，以便为下一条指令做好准备。在第二个中央处理器周期(执行阶段)，中央处理器将指令寄存器中的地址码部分21发送到程序计数器，从而用新内容21替换个人计算机的原始内容25。这样，下一条指令将不会从单元25中读取，而是从存储器的单元21中读取并执行，从而改变程序的原始执行顺序。注意：当执行“JMP 21”指令时，由这里给出的四条指令组成的程序进入一个无限循环，除非

16、人工停止，否则程序将无休止地运行。6.3微程序控制器1。基本概念微程序控制器：所有控制信号都是由微程序和相关电路产生的。微操作：计算机最小且不可分解的操作。微操作控制信号：控制微操作的信号。微指令：几个微指令的集合。微指令：产生微操作控制信号的指令。微程序：完成一条机器指令所需的所有微指令的有序集合。微控制器存储器：用于存储微程序的存储器。2.微程序控制器的工作过程(1)结构1。结构框图，主要由控制存储器、微指令寄存器和地址传输逻辑组成。1.控制存储器控制存储器用于存储实现所有指令系统的微程序，它是只读存储器。一旦微程序固化，它将是只读的，在机器运行时不会被写入。工作过程如下：每次微指令被读出

17、时，微指令被执行；然后读出下一条微指令并执行这条微指令。读出微指令并执行它的总时间称为微指令周期。通常，在串行微程序控制器中，微指令周期是只读存储器的工作周期。控制存储器的字长是微指令的字长，其存储容量取决于机器指令系统，即微程序的数量。控制存储器的要求是速度快、读取周期短。微指令寄存器用于存储由控制存储器读出的微指令信息。微地址寄存器确定下一条要访问的微指令的地址，而微指令寄存器存储微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。3.地址传输逻辑在正常情况下，微指令从控制存储器中读出，并直接给出下一条微指令的地址，通常称为微地址，该微地址信息存储在微地址寄存器中。如果微程序没有分支，下一条微指令的地址直接由微地址寄存器给出。当微程序分支时，意味着微程序有条件转移。在这种情况下，通过判断测试字段P的反馈信息和执行单元的“状态条件”来修改微地址寄存器的内容，并根据修改后的内容读取下一条微指令。地址传输逻辑负责自动完成修改微地址的任务