計(jì)算機(jī)的工作原理

1、*第三章 計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、馮.諾伊曼體系結(jié)構(gòu)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的組成和工作原理。特點(diǎn)：由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和I/O設(shè)備組成；指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放在存儲(chǔ)器中，按地址尋訪；指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制表示；指令由操作碼和數(shù)據(jù)組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)存放在存儲(chǔ)器中的地址；指令在存儲(chǔ)器中順序存放，順序執(zhí)行，特定情況下根據(jù)條件改變執(zhí)行的順序；機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入 /輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送都通過運(yùn)算器完成。二、中央處理器(CPU)的組成運(yùn)算器：運(yùn)算器由算術(shù)邏輯部件 (ALU)和一些寄存器組成，是直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和運(yùn)算的 部件；控制單元：控制單元用

2、來指揮和控制程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行和處理。寄存器：寄存器組：用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；累加器(ACC):提供給ALU的兩個(gè)操作數(shù)之一，并存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果；標(biāo)志寄存器(FR):用于存儲(chǔ)某些重要的狀態(tài)和特征，每個(gè)狀態(tài)用一位標(biāo)志；程序寄存器：用于存放下一條要執(zhí)行指令的地址碼；指令寄存器：存放當(dāng)前要執(zhí)行的指令，由指令譯碼器進(jìn)行譯碼，確定應(yīng)進(jìn)行什么操作， 通過操作控制器產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器。處理器：三、馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)的演化.控制部件設(shè)計(jì)的多樣化a)用邏輯電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；b) 微程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。*.采用總線結(jié)構(gòu)總線：是連接各部件的一組公共信號(hào)線，是傳送信號(hào)和代碼的公共通道。所謂總線實(shí)際上就是一組信號(hào)連線

3、，每個(gè)計(jì)算機(jī)部件都要與這組信號(hào)向相連，每根信號(hào)線只有 兩個(gè)狀態(tài)，高電平和低電平。這種總線稱為外部總線或系統(tǒng)總線，系統(tǒng)總線中的信號(hào)線根據(jù)其功能的不同又可以分為三類:1）數(shù)據(jù)總線：用來傳輸各功能部件之間的數(shù)據(jù)信息，是雙向傳輸總線，位數(shù)與機(jī)器字長(zhǎng) 有關(guān)；2）地址總線：用來指出數(shù)據(jù)總線上的源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)在主存中的地址，是單向傳輸總 線，地址總線的個(gè)數(shù)與存儲(chǔ)器單元的個(gè)數(shù)有關(guān)，稱為尋址能力；3）控制總線：用來發(fā)出各種控制信號(hào)的傳輸線，每一根控制總線是單向的。常見的控制總線有：1）時(shí)鐘，2）復(fù)位，3）中斷請(qǐng)求，4）存儲(chǔ)器讀、寫，5）I/O讀、寫。輸出輸入由于數(shù)據(jù)總線是雙向總線，每個(gè)部件都可以向數(shù)據(jù)總線上發(fā)

4、出數(shù)據(jù)信號(hào)，也可以接收數(shù)據(jù)總線 上數(shù)據(jù)信號(hào)。同一時(shí)刻只能有一個(gè)部件發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)，其它部件可以接收數(shù)據(jù)信號(hào)。一般來說， 每一次的數(shù)據(jù)傳輸都是 CPU與某一個(gè)特定的部件之間的數(shù)據(jù)傳輸，其它部件需要與數(shù)據(jù)總線 “斷開”，這就需要有一個(gè)三態(tài)門來實(shí)現(xiàn)。輸出輸入控制端輸入輸出00001110高阻抗11高阻抗控制端,輸入和輸出分別與器件和總線的利用三態(tài)緩沖器就可以實(shí)現(xiàn)器件與總線之間的“開”和“關(guān)”*數(shù)據(jù)線相連，控制端由控制線和地址線組合邏輯產(chǎn)生。同樣利用三態(tài)緩沖器也可以實(shí)現(xiàn)雙向的 數(shù)據(jù)總線。（P47,圖3.4）.以存儲(chǔ)器為中心現(xiàn)代計(jì)算機(jī)已經(jīng)從以運(yùn)算器為中心轉(zhuǎn)化為以存儲(chǔ)器為中心。存儲(chǔ)器用來存放數(shù)據(jù)和程序。主存

5、儲(chǔ)器可以分為隨機(jī)存儲(chǔ)器 （RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。主存儲(chǔ)器通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控 制總線同CPU相連。對(duì)主存儲(chǔ)的操作分為兩種：讀操作和寫操作。讀操作是從存儲(chǔ)器中取出信息的過程；寫操作時(shí) 將信息寫入存儲(chǔ)器的過程。在主存儲(chǔ)器中包含大量的存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以是8位，16位，32位或64位。 CPU每一次只能對(duì)存儲(chǔ)器中的一個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀操作或?qū)懖僮?，CPU通過地址總線將一組地址信號(hào)發(fā)送到地址譯碼器，地址譯碼器譯出該地址，選中相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，然后CPU在發(fā)出一個(gè)讀信號(hào)或?qū)懶盘?hào)，讀寫信號(hào)用來控制數(shù)據(jù)傳送的方向。（參考圖3.4中的C1和C2信號(hào)）CPU對(duì)存儲(chǔ)器的

6、讀寫過程參考 p48,p49 ,圖3.5和3.4。 4.輸入/輸出系統(tǒng)功能的加強(qiáng)指令系統(tǒng)前面我們了解了計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，那么我們?nèi)绾沃笓]計(jì)算機(jī)來完成某項(xiàng)工作哪？這就需要向 計(jì)算機(jī)（CPU）發(fā)出一系列的指令，CPU執(zhí)行這些指令來完成某項(xiàng)工作。一般來說CPU只能完成一些簡(jiǎn)單的、基本的操作，每一個(gè)基本操作稱作一個(gè)指令，CPU所能夠執(zhí)行的所有指令是有限的，這些指令構(gòu)成的集合稱為指令系統(tǒng)。每一個(gè)CPU的指令系統(tǒng)都是不同的。 一、指令系統(tǒng)的基本概念機(jī)器指令：命令機(jī)器做某種操作的一條語(yǔ)句稱為一個(gè)機(jī)器指令。指令是CPU唯一能識(shí)別的語(yǔ)言。指令在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是以 2進(jìn)制的數(shù)碼來表示白1位數(shù)可以是 8位、16位、32

7、位等等。每一條指令的 執(zhí)行一般都是由一個(gè)特定的硬件電路或一組硬件電路來實(shí)現(xiàn)。指令系統(tǒng)：全部機(jī)器指令的集合稱為指令系統(tǒng)。二、指令格式操作碼操作數(shù)/操作數(shù)地址操作碼：是一條指令的操作類型或作用；操作數(shù)：代表需要處理的數(shù)，或參與操作數(shù)的地址。在一條指令中，操作碼有且只能有一個(gè)，而操作數(shù)可以不止一個(gè)，也可以一個(gè)沒有。有些計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)中要求每條指令的位數(shù)是相同的，有些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中指令的位數(shù)可以是不同的，一般來說操 作碼的位數(shù)是相同的，而操作數(shù)的位數(shù)有可能不同。對(duì)一個(gè)包括n位的操作碼來說，最多可以表示2n條指令。三、指令系統(tǒng)實(shí)例某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，指令字長(zhǎng)為16位，操作碼為8位，操作碼為8位，ACC為寄存器，

8、累加器。8位地址總線，16位數(shù)據(jù)總線。操作碼意義助記符00H力口，A + NUM AADD A, NUM(數(shù)字)01H減，A -NUM ASUB A, (ADDR)*02H乘，A * ADDR存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)AMUL A, (ADDR)03H除，A / ADDR存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)ADIV A, (ADDR)04H邏輯與，A and NUM AAND A, NUM05H取數(shù)，將一個(gè)數(shù)取到 A中LDA, NUM06H存數(shù)，將A中的數(shù)保存到 ADDR存儲(chǔ)單兀中MOV (ADDR), A07H停機(jī)STOP卜面我們來編制程序?qū)崿F(xiàn)：5x2 6x 7 （5x 6）x 7,其中x存放在07H存儲(chǔ)單元中，計(jì)算結(jié)果

9、保存在08H單元中。內(nèi)存地址內(nèi)存單元的內(nèi)容（機(jī)器語(yǔ)言程序）完成功能助記符（匯編語(yǔ)百程序）00H0505HA 5LDA, 501H0207HA A*xMUL A, (07H)02H0006HA A+6ADD A, 603H0207HA A*xMUL A, (07H)04H0007HA A+7ADD A, 705H0608H(08H) AMOV (08H),A06H0700H停機(jī)STOP07HX0BH結(jié)果中央處理器（CPU）CPU的基本結(jié)構(gòu)1）數(shù)的存儲(chǔ)：寄存器、鎖存器、存儲(chǔ)器*輸入數(shù)據(jù)線輸出數(shù)據(jù)線曲Lj鎖存信號(hào)/ 寫信號(hào)寄存器/ 鎖存器/ 存儲(chǔ)器輸出允許/ 讀信號(hào)2)累加器AC:運(yùn)算之前保存一個(gè)操

10、作數(shù)，運(yùn)算之后保存運(yùn)算結(jié)果，CPU中可以有一個(gè)或多個(gè)累加器；3)通用寄存器組：可以用來保存數(shù)據(jù)，也可以參與計(jì)算，存取非常速度快，但一般數(shù)量不多；標(biāo)志寄存器：用來記錄 CPU當(dāng)前運(yùn)行的一些狀態(tài)，如加減法的進(jìn)位，溢出，計(jì)算結(jié)果的正負(fù)，運(yùn)算結(jié)果是否為 0等等；程序計(jì)數(shù)器PC:存放下一條要執(zhí)行的指令的地址碼；地址寄存器AR:與地址總線相連，給出操作內(nèi)存單元的地址；指令寄存器IR:保存取出的指令碼；數(shù)據(jù)緩沖寄存器 DR:與數(shù)據(jù)總線相連，保存要寫入內(nèi)存的數(shù)據(jù)或從內(nèi)存中讀出的數(shù)據(jù)；9) 指令譯碼器：解釋指令碼的意義。CPU的基本操作*取指令：PC地址 地址寄存器 地址總線控制單元讀信號(hào)數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖寄存器

11、 指令寄存器譯碼器操作單元PC地址+1讀數(shù)據(jù)：地址碼地址寄存器 地址總線CU 讀信號(hào)數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖寄存器ACC寫數(shù)據(jù)：地址碼地址寄存器 地址總線ACC 數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)總線CU 寫信號(hào)舉例：計(jì)算5+6,結(jié)果保存在08H的存儲(chǔ)單元中助記符操作碼操作數(shù)說明LD A, 505H05H將5取入寄存器A 1ADD A, 600H06HA加上6存入A*MOV (8), A06H08HA存入存儲(chǔ)單元8STOP07H00H停機(jī)CPU工作過程:取操作碼 取操作數(shù) 取操作碼 取操作數(shù)執(zhí)行加法 取操作碼 取操作數(shù) 存數(shù)停機(jī) 三、CPU的控制器和機(jī)器時(shí)鐘CPU取指令、取操作數(shù)、存數(shù)等等的一系列的操作都可以分解為若

12、干個(gè)微操作，同時(shí)需要CU發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)來指揮 CPU中的各個(gè)部件，以及 CPU外部的各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作。時(shí)序：正確執(zhí)行一條指令時(shí)，為該條指令中的每個(gè)微操作所安排的時(shí)間表稱為時(shí)序。計(jì)算機(jī)中 的時(shí)間最基本的單位是機(jī)器時(shí)鐘，由機(jī)器時(shí)鐘可以產(chǎn)生出多個(gè)周期。.4 CPU控制器的設(shè)計(jì)問題CPU控制器的設(shè)計(jì)方法1、數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)方法微操作 控制微操作 控制微操作：每條指令的執(zhí)行過程可以分解為若干個(gè)小的操作，其中每個(gè)操作稱為一個(gè)微操作。 比如：加法需要進(jìn)行如下一系列操作：ACC 加法器；地址碼地址寄存器 地址總線；數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖寄存器加法器;加法器進(jìn)行加法運(yùn)算；結(jié)果 ACC 。設(shè)計(jì)方法：1）分解每一條指令為若干

13、個(gè)微操作;*2）為每個(gè)微操作設(shè)計(jì)邏輯電路；3）每一條指令的控制電路由若干個(gè)微操作的邏輯電路組合而成。 缺點(diǎn)：1）設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，各條指令之間的微操作有許多是相同的；） CPU 一經(jīng)設(shè)計(jì)好，很難改變功能。2、微程序設(shè)計(jì)方法后繼微指令地址狀態(tài)條件CLK微指令：將每個(gè)微操作看作是一條指令，稱為微指令；微程序：每條指令可以看作是一段微程序；將每條指令的微程序存放在CPU內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，稱為控制存儲(chǔ)器，一條指令的執(zhí)行相當(dāng)于執(zhí)行一段相應(yīng)的微程序。優(yōu)點(diǎn)：1）設(shè)計(jì)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，相當(dāng)于把硬件設(shè)計(jì)的一部分轉(zhuǎn)化為軟件設(shè)計(jì)；2）改變CPU的功能非常方便，只需修改控制存儲(chǔ)器中的微程序即可。二、流水線技術(shù)1、流水線的基本概

14、念：1）流水線的思想：每條指令的執(zhí)行都可以分為若干個(gè)步驟。早期的 CPU指令是串行執(zhí)行 的，現(xiàn)代的CPU是將這些步驟重疊執(zhí)行。無(wú)流水線CPU的執(zhí)行過程：取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行第一條指令第二條指令第三條指令3級(jí)流水線CPU的執(zhí)行過程:*第一條指令第二條指令第一條指令第二條指令第三條指令取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行流水線：是指把一個(gè)重復(fù)的處理過程分解成若干個(gè)子處理過程，每個(gè)子過程可以與其 它的子過程同時(shí)進(jìn)行處理。8086CPU的流水線結(jié)構(gòu)：8086將CPU分為兩個(gè)部件：執(zhí)行部件EU和總線接口部件 BIUBIU中有一個(gè)16字節(jié) 的指令隊(duì)列，當(dāng)隊(duì)列中出現(xiàn)2個(gè)以上的空字節(jié)時(shí)，BIU自動(dòng)從總線上讀入指令填入隊(duì)列。 當(dāng)遇到轉(zhuǎn)移指令時(shí)，EU向BIU發(fā)出控制信號(hào)和新地址，BIU清除隊(duì)列中的內(nèi)容，重新裝入指令碼。系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線7級(jí)流水結(jié)構(gòu)：現(xiàn)代的微處理器一般采用7級(jí)流水線。取指令M指令譯碼地址形成取操作 數(shù)取指令M指令譯碼地址形成取操作 數(shù)操作執(zhí)行寫結(jié)果修改指令指針2、流水線的種類：指令流水線和數(shù)據(jù)流水線。3、流水線的問題：1)控制相關(guān)；部件相關(guān)；數(shù)據(jù)相關(guān)。