第4周大課處理器(3)

1、 1/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理指令的基本功能指令的基本功能指令的格式指令的格式 2/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理處理器的組成與工作過程處理器的組成與工作過程 3/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理熟練掌握處理器的主要組成部分：熟練掌握處理器的主要組成部分： 寄存器、運(yùn)算器、控制器寄存器、運(yùn)算器、控制器理解處理器各個(gè)部分的主要功能理解處理器各個(gè)部分的主要功能理解中斷的作用理解中斷的作用掌握處理器的工作過程掌握處理器的工作過程 4/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理ComputerMain MemoryInputOutputSystemsInterconnectionPeripherals

2、CommunicationlinesCentralProcessing UnitComputer 5/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理ComputerArithmeticand Logic UnitControlUnitInternal CPUInterconnectionRegistersCPUI/OMemorySystemBusCPU 6/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 1 處理器的指令集處理器的指令集 3. 2 處理器的組成與工作過程處理器的組成與工作過程 3. 2. 1 處理器的基本功能和基本組成處理器的基本功能和基本組成1處理器概述處理器概述實(shí)現(xiàn)處理器內(nèi)部各個(gè)單元之間信號(hào)傳輸?shù)?/p>

3、線路稱為實(shí)現(xiàn)處理器內(nèi)部各個(gè)單元之間信號(hào)傳輸?shù)木€路稱為片內(nèi)總線。片內(nèi)總線。實(shí)現(xiàn)處理器與主存儲(chǔ)器和輸入實(shí)現(xiàn)處理器與主存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備之間信號(hào)傳輸出設(shè)備之間信號(hào)傳輸?shù)木€路稱為片外總線，簡稱輸?shù)木€路稱為片外總線，簡稱總線（總線（Bus）。 7/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 2. 1 處理器的基本功能和基本組成處理器的基本功能和基本組成1處理器概述處理器概述除了電源引腳（除了電源引腳（Vcc）和接地引腳（）和接地引腳（GND）外，大部分引腳）外，大部分引腳都用于信號(hào)傳輸。按照傳輸信號(hào)類別的不同，這些引腳可都用于信號(hào)傳輸。按照傳輸信號(hào)類別的不同，這些引腳可以分為數(shù)據(jù)總線引腳、地址總線引腳和控

4、制總線引腳。以分為數(shù)據(jù)總線引腳、地址總線引腳和控制總線引腳。數(shù)據(jù)總線引腳被命名為數(shù)據(jù)總線引腳被命名為D0，D1，Di。地址總線引腳被命名為地址總線引腳被命名為A0，A1，Aj。 8/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 2. 1 處理器的基本功能和基本組成處理器的基本功能和基本組成1處理器概述處理器概述常見的控制總線引腳有時(shí)鐘常見的控制總線引腳有時(shí)鐘CLK、復(fù)位、復(fù)位RESET、總線請(qǐng)、總線請(qǐng)求求HRQ、總線允許、總線允許HLDA、中斷請(qǐng)求、中斷請(qǐng)求INTR、中斷響應(yīng)、中斷響應(yīng)INTA、讀、讀RD、寫、寫WR等。等。 9/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 2. 1 處理器的基本功能和基本組

5、成處理器的基本功能和基本組成2處理器的基本功能處理器的基本功能 處理器的工作就是周而復(fù)始地執(zhí)行指令，它的基本功能處理器的工作就是周而復(fù)始地執(zhí)行指令，它的基本功能包括取指令、分析指令、取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、寫回結(jié)果。包括取指令、分析指令、取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、寫回結(jié)果。 （1）取指令。處理器根據(jù)）取指令。處理器根據(jù)PC給出的主存地址訪問主存，給出的主存地址訪問主存，取出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字長的指令，將其送入處理器內(nèi)部的指令取出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)字長的指令，將其送入處理器內(nèi)部的指令寄存器寄存器 IR，然后，然后PC加加1。 10/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理（2）分析指令。處理器將）分析指令。處理器將IR中的操作碼部分取

6、出送入指令中的操作碼部分取出送入指令譯碼器（譯碼器（Decoder）進(jìn)行譯碼。根據(jù)譯碼結(jié)果判斷出指令）進(jìn)行譯碼。根據(jù)譯碼結(jié)果判斷出指令的功能（即指令將要執(zhí)行什么操作）、操作數(shù)的尋址方式的功能（即指令將要執(zhí)行什么操作）、操作數(shù)的尋址方式以及操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型，形成源操作數(shù)或目的操作數(shù)的物以及操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型，形成源操作數(shù)或目的操作數(shù)的物理地址。理地址。（3）取數(shù)據(jù)。根據(jù)源操作數(shù)的物理地址訪問主存，取出源）取數(shù)據(jù)。根據(jù)源操作數(shù)的物理地址訪問主存，取出源操作數(shù)。源操作數(shù)將被送入處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器，如操作數(shù)。源操作數(shù)將被送入處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器，如累加器累加器ACC。 11/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算

7、機(jī)組成原理（4）處理數(shù)據(jù)。處理器將源操作數(shù)送入運(yùn)算器，并根據(jù)指令）處理數(shù)據(jù)。處理器將源操作數(shù)送入運(yùn)算器，并根據(jù)指令譯碼結(jié)果啟動(dòng)運(yùn)算器的相應(yīng)操作對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理結(jié)果譯碼結(jié)果啟動(dòng)運(yùn)算器的相應(yīng)操作對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理結(jié)果存回通用數(shù)據(jù)寄存器。存回通用數(shù)據(jù)寄存器。（5）寫回結(jié)果。如果指令要求將結(jié)果寫回主存，則處理器將）寫回結(jié)果。如果指令要求將結(jié)果寫回主存，則處理器將根據(jù)目的操作數(shù)的地址，將目的操作數(shù)寫入主存。根據(jù)目的操作數(shù)的地址，將目的操作數(shù)寫入主存。 3. 2. 1 處理器的基本功能和基本組成處理器的基本功能和基本組成2處理器的基本功能處理器的基本功能 12/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3.

8、2. 1 處理器的基本功能和基本組成處理器的基本功能和基本組成3處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路訪問主存是處理器經(jīng)常執(zhí)行的一個(gè)公共操作。為此，訪問主存是處理器經(jīng)常執(zhí)行的一個(gè)公共操作。為此，處理器設(shè)置了專門存放訪存地址的寄存器處理器設(shè)置了專門存放訪存地址的寄存器MAR、專門、專門存放與主存交換數(shù)據(jù)的寄存器存放與主存交換數(shù)據(jù)的寄存器MDR/MBR。 13/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 2. 1 處理器的基本功能和基本組成處理器的基本功能和基本組成3處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路處理數(shù)據(jù)的功能單元叫算術(shù)邏輯單元處理數(shù)據(jù)的功能單元叫算術(shù)邏輯單元ALU，

9、它的功能，它的功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算。是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算。 14/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 2. 1 處理器的基本功能和基本組成處理器的基本功能和基本組成 15/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路根據(jù)馮根據(jù)馮諾依曼型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，處理器的所有工作都諾依曼型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，處理器的所有工作都是在控制單元是在控制單元CU的指揮下完成的。的指揮下完成的。CU的功能是，通過對(duì)指令的分析（譯碼），按照一定的功能是，通過對(duì)指令的分析（譯碼），按照一定的時(shí)序，發(fā)出控制信號(hào)，使的時(shí)序，發(fā)出控制信號(hào)，使CPU在控制

10、信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下在控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，完成相應(yīng)指令的功能。，完成相應(yīng)指令的功能。 16/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路處理器內(nèi)部設(shè)置有大量的寄存器。高級(jí)語言程序員，處理器內(nèi)部設(shè)置有大量的寄存器。高級(jí)語言程序員，無須了解這些寄存器。中級(jí)語言（如無須了解這些寄存器。中級(jí)語言（如C語言）程序員，語言）程序員，可能需要了解一些寄存器的知識(shí)。低級(jí)語言（即匯編可能需要了解一些寄存器的知識(shí)。低級(jí)語言（即匯編語言）程序員需要對(duì)寄存器有深入的了解。語言）程序員需要對(duì)寄存器有深入的了解。但是即使是匯編語言程序員，處理器內(nèi)部的某些寄存但是即使是匯編語言程序員，處

11、理器內(nèi)部的某些寄存器也是無須關(guān)心的，如器也是無須關(guān)心的，如MAR和和MDR。即，。即，MAR和和MDR對(duì)匯編程序員是對(duì)匯編程序員是“透明的透明的”。 17/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理寄存器分為寄存器分為“用戶可見的寄存器用戶可見的寄存器”和和“用戶透明的寄存用戶透明的寄存器器”，這里的，這里的“用戶用戶”是指匯編語言程序員。是指匯編語言程序員。“用戶可見的寄存器用戶可見的寄存器”包括通用數(shù)據(jù)寄存器、基址寄存包括通用數(shù)據(jù)寄存器、基址寄存器、變址寄存器、器、變址寄存器、FR、PC等等“用戶透明的寄存器用戶透明的寄存器”包括包括MAR、MDR、ALU的輸入的輸入寄存器寄存器A和和B以及輸出寄存

12、器以及輸出寄存器SUM 3. 處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路 18/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 指令執(zhí)行過程中，數(shù)據(jù)所經(jīng)過的路徑及路徑上的部件稱指令執(zhí)行過程中，數(shù)據(jù)所經(jīng)過的路徑及路徑上的部件稱為為“數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路（Data Path）”或或“數(shù)據(jù)路徑數(shù)據(jù)路徑”。 例如，通用寄存器、例如，通用寄存器、ALU及符號(hào)位擴(kuò)展單元、狀態(tài)寄存及符號(hào)位擴(kuò)展單元、狀態(tài)寄存器、器、Cache、“異常異?！焙秃汀爸袛嘀袛唷碧幚磉壿?、處理邏輯、MMU（存儲(chǔ)管（存儲(chǔ)管理單元）都屬于理單元）都屬于數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路。 從這個(gè)意義上說，處理器由從這個(gè)意義上說，處理器由控制器控制器CU和和數(shù)據(jù)通

13、路數(shù)據(jù)通路組成。組成。3. 處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路處理器的基本組成與數(shù)據(jù)通路 19/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 所謂中斷，是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)所謂中斷，是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊請(qǐng)求時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)在適當(dāng)時(shí)機(jī)暫停現(xiàn)行程異常情況或特殊請(qǐng)求時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)在適當(dāng)時(shí)機(jī)暫?，F(xiàn)行程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向執(zhí)行處理這些異常情況或特殊請(qǐng)求的程序序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)向執(zhí)行處理這些異常情況或特殊請(qǐng)求的程序（即中斷處理程序或中斷服務(wù)程序），處理結(jié)束后再返回（即中斷處理程序或中斷服務(wù)程序），處理結(jié)束后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處繼續(xù)執(zhí)行。到現(xiàn)行程序的間斷處繼續(xù)執(zhí)行。4. 中斷的基本概念中斷的基本

14、概念目前，中斷已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)不可或缺的功能。目前，中斷已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)不可或缺的功能。 20/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 能夠發(fā)出中斷請(qǐng)求的部件或事件，稱為能夠發(fā)出中斷請(qǐng)求的部件或事件，稱為“中斷源中斷源”。 不同的中斷源被賦予了一個(gè)不同的不同的中斷源被賦予了一個(gè)不同的“中斷類型號(hào)中斷類型號(hào)”。 由于中斷請(qǐng)求信號(hào)到來的時(shí)間是隨機(jī)的，處理器不可由于中斷請(qǐng)求信號(hào)到來的時(shí)間是隨機(jī)的，處理器不可能隨時(shí)對(duì)它進(jìn)行處理。通常約定：中斷可以中斷程序，但能隨時(shí)對(duì)它進(jìn)行處理。通常約定：中斷可以中斷程序，但不能中斷指令。處理器只會(huì)在指令執(zhí)行的末尾，去檢測(cè)是不能中斷指令。處理器只會(huì)在指令執(zhí)行的末尾，去檢測(cè)是否有中

15、斷請(qǐng)求。若有，并且處理器處于允許響應(yīng)的狀態(tài)，否有中斷請(qǐng)求。若有，并且處理器處于允許響應(yīng)的狀態(tài)，則響應(yīng)中斷請(qǐng)求，否則執(zhí)行下一條指令。則響應(yīng)中斷請(qǐng)求，否則執(zhí)行下一條指令。4. 中斷的基本概念中斷的基本概念 21/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理為此，控制總線要增加接收中斷請(qǐng)求信號(hào)的引腳為此，控制總線要增加接收中斷請(qǐng)求信號(hào)的引腳INTR和和發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)的引腳發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)的引腳INTA。處理器內(nèi)部要設(shè)置一個(gè)處理器內(nèi)部要設(shè)置一個(gè)“中斷允許中斷允許”標(biāo)志和一個(gè)中斷狀標(biāo)志和一個(gè)中斷狀態(tài)觸發(fā)器態(tài)觸發(fā)器“INT”?？梢酝ㄟ^可以通過“開中斷開中斷”指令指令STI將將EINT置為置為1，通過，通過“關(guān)中關(guān)中

16、斷斷”指令指令CLI將將EINT清成清成0。響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，處理器將響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，處理器將INT置成置成1 進(jìn)入中斷狀態(tài)。進(jìn)入中斷狀態(tài)。 22/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理處理器內(nèi)部與中斷有關(guān)的邏輯電路稱為處理器內(nèi)部與中斷有關(guān)的邏輯電路稱為中斷單元中斷單元，實(shí)現(xiàn)中斷的所有硬件和軟件稱為實(shí)現(xiàn)中斷的所有硬件和軟件稱為中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)。 23/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理例例3-10 下列選項(xiàng)中，能引起外部中斷的事件是下列選項(xiàng)中，能引起外部中斷的事件是 。 A.鍵盤輸入鍵盤輸入 B.除數(shù)為除數(shù)為0 C.浮點(diǎn)運(yùn)算下溢浮點(diǎn)運(yùn)算下溢 D.訪存缺訪存缺頁頁答：根據(jù)中斷源在處理器內(nèi)答：根據(jù)中斷源在處

17、理器內(nèi)/外，中斷分為內(nèi)部中斷和外部外，中斷分為內(nèi)部中斷和外部中斷。內(nèi)部中斷的例子有：除數(shù)為中斷。內(nèi)部中斷的例子有：除數(shù)為0，溢出，非法訪問（如，溢出，非法訪問（如越界訪問）。外部中斷的例子有：來至外設(shè)的中斷（如鍵越界訪問）。外部中斷的例子有：來至外設(shè)的中斷（如鍵盤輸入），來至定時(shí)器的時(shí)鐘中斷等。盤輸入），來至定時(shí)器的時(shí)鐘中斷等。 “訪存缺頁訪存缺頁”屬于故障，不是中斷。故選屬于故障，不是中斷。故選A。 24/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 2 處理器的組成與工作過程處理器的組成與工作過程 3. 2. 2 計(jì)算機(jī)的工作過程計(jì)算機(jī)的工作過程 計(jì)算機(jī)的工作是由處理器的工作來驅(qū)動(dòng)的，而處理器的計(jì)

18、算機(jī)的工作是由處理器的工作來驅(qū)動(dòng)的，而處理器的工作就是執(zhí)行指令。工作就是執(zhí)行指令。 把處理器取出并執(zhí)行一條指令稱為對(duì)指令的解釋。把處理器取出并執(zhí)行一條指令稱為對(duì)指令的解釋。 每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間叫每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間叫指令周期指令周期。 25/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 2. 2 計(jì)算機(jī)的工作過程計(jì)算機(jī)的工作過程 下面以計(jì)算下面以計(jì)算 X + Y 為例來編制控制計(jì)算機(jī)為例來編制控制計(jì)算機(jī)/處理器工處理器工作的程序。作的程序。（1）從內(nèi)存單元）從內(nèi)存單元X中取數(shù)據(jù)送入累加器中取數(shù)據(jù)送入累加器ACC；（2） ACC加上內(nèi)存單元加上內(nèi)存單元Y中的數(shù)據(jù)，中的數(shù)據(jù)，

19、 結(jié)果存回結(jié)果存回ACC中；中；（3） ACC的值存入內(nèi)存單元的值存入內(nèi)存單元Z中；中；（4）停機(jī)。）停機(jī)。 26/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理3. 2. 2 計(jì)算機(jī)的工作過程計(jì)算機(jī)的工作過程 此程序在某模型機(jī)上運(yùn)行，用到的指令如下：此程序在某模型機(jī)上運(yùn)行，用到的指令如下：指令名稱指令名稱助記符助記符指指 令令 功功 能能操作碼操作碼指令操作數(shù)指令操作數(shù)數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)讀入LOAD將某個(gè)內(nèi)存單元將某個(gè)內(nèi)存單元X中的中的數(shù) 據(jù) 取 出 并 送 入數(shù) 據(jù) 取 出 并 送 入ACC0001B內(nèi)存單元內(nèi)存單元X的地址的地址加加 法法ADDACC加上內(nèi)存單元加上內(nèi)存單元Y中中的數(shù)據(jù)，結(jié)果存回的數(shù)據(jù)，結(jié)果存回ACC中中0010B內(nèi)存單元內(nèi)存單元Y的地址的地址數(shù)據(jù)存回?cái)?shù)據(jù)存回STORE將將ACC的值存入內(nèi)存單的值存入內(nèi)存單元元Z中中0011B內(nèi)存單元內(nèi)存單元Z的地址的地址停停 機(jī)機(jī)HALT停止處理器工作停止處理器工作1000B無操作數(shù)無操作數(shù) 27/31計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 程序存入主存的結(jié)果如下，其中分配給變量程序存入主存的結(jié)果如下，其中分配給變量X、Y和和Z的內(nèi)存單元地址是的內(nèi)存單元地址是1100B、1101B和和1110B。 主存單元地址主存單元地址匯編程序匯編程序/數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)指令操作碼指令操作碼 指令操作數(shù)指令