组成第十一讲--中央处理器的功能及结构资料
计算机组成原理课件第六章中央处理器6.1
6.1.2中央处理器的基本结构
• 主存储器中存放数据和指令。 • CPU要从主存读取数据或指令，则必须给出该数据的主存单元地址到
MAR中，并向存储器发送读操作信号，然后等待数据从主存读出并存 放到存储器总线的数据总线上。CPU读主存储器时发出的读信号定义 为RM。 • CPU要向主存写入数据，则必须给出主存单元地址到MAR中，然后 通过存储器地址总线选中要访问的单元，同时把数据送到存储器数据 寄存器MDR中，再送到存储器数据总线，最后向存储器发送写操作信 号，然后等待数据写入到主存单元中。CPU写主存储器时发出的写信 号定义为WM。 • 主存储器完成读写操作会向CPU发送存储器操作完成信号MFC （Memory Function Completed）。
• （4）异常和中断处理 – 计算机出现某些异常情况，如算术运算溢出等，或者某些外部设 备发出“中断请求”信号，那么在执行完当前指令后，CPU要停 止当前的程序，转去处理这些异常的中断服务程序。当处理完毕 后，再返回原程序继续运行。
• 计算机中控制器就这样周而复始地取指令、分析指令、执行指令，再 取指令、再分析指令、再执行指令……直到程序结束或出现外来的干 预为止。
• 主存储器外部有地址总线 和数据总线。
• CPU内部各模块通过一条 公共总线相连，是内部总 线。
• 存储器总线经由存储器数 据寄存器MDR和存储器地 址寄存器MAR连到CPU内 部数据总线。
6.1.2中央处理器的基本结构
• 存储器地址寄存器MAR用来保存当前CPU所访问的内存 单元地址。由于CPU和内存之间有速度差异，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。
了解计算机处理器的基本知识
了解计算机处理器的基本知识计算机处理器（Central Processing Unit，简称CPU）是计算机的核心组件之一，负责执行计算机指令、控制计算机的各种操作。
了解计算机处理器的基本知识对于我们理解计算机的运行原理以及选择和使用计算机设备都非常重要。
本文将介绍计算机处理器的基本知识，包括处理器的结构、功能和性能指标。
一、处理器的结构计算机处理器由控制单元和运算单元组成。
控制单元负责解析和执行计算机指令，控制程序的运行；运算单元负责进行算术、逻辑运算等操作。
控制单元和运算单元之间通过总线进行数据的传输。
二、处理器的功能1. 指令解析和执行：处理器通过解析指令来执行各种操作，包括算术、逻辑运算、数据传输等。
2. 储存器访问：处理器可以从内存中读取数据，并将运算结果写回内存。
3. 中断处理：处理器可以响应外部事件的中断请求，并根据中断服务程序执行相应的操作。
4. 时钟控制：处理器通过时钟信号来控制指令的执行速度和节奏。
三、处理器的性能指标1. 主频：也称为时钟频率，指处理器每秒钟执行的时钟周期数。
主频越高，处理器的运算速度越快。
2. 缓存：处理器内部的缓存用于临时存储指令和数据，高速缓存（L1、L2、L3）的大小和访问速度会影响处理器的性能。
3. 核心数：现代处理器通常拥有多个核心，每个核心可以同时执行不同的指令，提高处理器的并行处理能力。
4. 指令集：处理器的指令集架构决定了它可以执行的指令种类和功能，常见的指令集包括x86、ARM等。
5. 浮点运算性能：处理器的浮点运算性能决定了其在处理科学计算、图形渲染等需要大量浮点运算的任务时的表现。
四、选择和使用处理器的注意事项1. 根据需求选择性能：根据计算机使用的需求，选择适合的处理器性能。
对于一般办公和上网使用，性能要求相对较低，而对于游戏、设计等需要高性能计算的任务，选择高性能处理器比较重要。
2. 考虑功耗和散热：处理器的功耗和散热问题也需要考虑。
《中央处理器(1)》课件
CPU散热装置
避免CPU长时间高负荷下运行 导致损坏，保持CPU温度适宜。
工作原理
1
译码
2
对指令进行译码，确定其操作类型、
寄存器等信息。
3
写回
4
将运算的结果写回内存或寄存器， 以便后续程序使用。
取指
从内存中取指令，存储到指令寄存 器中。
执行
按照指令进行运算，并将结果存储 到对应寄存器中。
性能指标
2 功能
CPU主要负责处理运算、判断、数据传输、存储管理等任务，是计算机系统的最重要的组 成部分，承担着决定系统性能和运行速度的关键任务。
基本结构
CPU核心
负责处理运算和计算机的主 要任务。
CPU缓存
存储计算机频繁使用的数据， 加快运算速度。
CPU总线
连接CPU内部各部件，进行数 据输入输出和传输。
Clock Speed 时钟速度
处理器运行最快频率，越 高速度越快。
Core Number 核数
CPU能够同时处理的任务数 量，越多越能胜任高负载 任务。
Cache Size 缓存大小
存储短期运算数据，越大 越能加快计算速度。
不同类型的中央处理器
In tel Core i9
高功耗，多核心，适合复杂 应用和高端游戏。
中央处理器(1)PPT课件
欢迎来到《中央处理器(1)》PPT课件。本课程旨在为您提供关于中央处理器的 完整介绍。从定义和功能开始，逐步深入了解CPU的基本原理、性能指标、历 史以及未来的前景。
定义和功能
1 定义
中央处理器，是计算机系统的大脑，是控制计算机应用的执行方案和运算选择的重要装 置，即计算机系统的中枢处理器。
201 1 年
《计算机组成原理》教案
《计算机组成原理》教案一、课程简介1.1 课程背景计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心课程，旨在帮助学生了解和掌握计算机的基本组成、工作原理和性能优化方法。
通过本课程的学习，学生将能够理解计算机硬件系统的整体结构，掌握各种计算机组件的功能和工作原理，为后续学习操作系统、计算机网络等课程打下基础。
1.2 课程目标（1）了解计算机系统的基本组成和各部分功能；（2）掌握计算机指令系统、中央处理器（CPU）的工作原理；（3）熟悉存储器层次结构、输入输出系统及总线系统；（4）学会分析计算机系统的性能和优化方法。
二、教学内容2.1 计算机系统概述（1）计算机的发展历程；（2）计算机系统的层次结构；（3）计算机系统的硬件和软件组成。
2.2 计算机指令系统（1）指令的分类和格式；（2）寻址方式；（3）指令的执行过程。
2.3 中央处理器（CPU）（1）CPU的结构和功能；（2）流水线技术；（3）多核处理器。
2.4 存储器层次结构（1）存储器概述；（2）随机存取存储器（RAM）；（3）只读存储器（ROM）；（4）缓存（Cache）和虚拟存储器。
2.5 输入输出系统（1）输入输出设备；（2）中断和DMA方式；（3）总线系统。
三、教学方法3.1 讲授法通过讲解、举例、分析等方式，使学生掌握计算机组成原理的基本概念、原理和应用。
3.2 实验法安排实验课程，使学生在实践中了解和验证计算机组成原理的相关知识。
3.3 案例分析法分析实际案例，使学生了解计算机组成原理在实际应用中的作用和意义。
四、教学评价4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等。
4.2 期末考试采用闭卷考试方式，测试学生对计算机组成原理知识的掌握程度。
五、教学资源5.1 教材《计算机组成原理》（唐朔飞著，高等教育出版社）。
5.2 辅助资料包括课件、实验指导书、案例分析资料等。
5.3 网络资源推荐学生访问相关学术网站、论坛，了解计算机组成原理的最新研究动态和应用成果。
计算机组成与结构PPT课件全第6章中央处理器
片外缓存 即L2 Cache。集成在CPU核心外。 容量比L1 Cache大。由于L1级高速缓存容
量的限制，为了再次提高CPU的运算速 度，在CPU核外部设置一高速存储器。
8
外部缓存 即L3 Cache。由于L1级高速缓存容量的限制，为
了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部（主板） 放置一高速存储器，即三级缓存。工作主频比较灵 活，可与CPU同频，也可不同。CPU在读取数据时， 先在L1中寻找，再从L2寻找，然后是L3，再是内 存，最后是外存储器。所以L3对系统的影响也不容忽 视。
35
（4）指令执行步骤标记线路 指明每条指令的执行步骤。
36
控制器的分类
微程序控制器 硬布线控制器
37
微程序控制器
38
硬布线控制器
39
补充：CPU主要的寄存器
① DR — 临时存放一条指令或一个数据字 ② IR — 存放当前正在执行的一条指令 ③ PC — 存放下一条要执行的指令的地址 ④ AR — 保存当前CPU所访问的内存单元
条 指
不同指令的操作内容差异很大
令
检查有无中断请求 公共操作
的
有则响应中断，转入中断处理程序
地 址
无则执行下条指令
27
控制器的具体功能
1、取指令 当程序已经在存储器中时，首先从程序入
口取第一条指令，并发出指令地址及控制信号。 2、分析指令
对取得的指令进行分析，指出它要 求做什么操作，并产生相应的控制命令。 如果需要的操作数在存储器中，还要形成 操作数地址。
此工作由中断控制器实现。
20
（8）准备好（ready）逻辑 当微处理器与存储器交换数据时， 由于双方速度不一致，有时微处理器需 要等待， ready信号是由存储器发向微处 理器的，表示操作已经完成。
cpu的基本结构和功能 PPT
存放操作数 可做某种寻址方式所需的寄存器
存放操作数（满足各种数据类型） 两个寄存器拼接存放双倍字长数据
存放地址，其位数应满足最大的地址范 围用于特殊的寻址方式 段基址 栈指 针 存放条件码，可做程序分支的依据 如正、负、零、溢出、进位等
2.控制和状态寄存器 （1）控制寄存器
PC
MAR
M
MDR
IR
控制CPU操作
其中MAR、MDR、IR PC
（2）状态寄存器
状态寄存器
用户不可见 用户可见
存放条件吗
PSW寄存器
存放程序状态字
3.举例
Z8000
8086
MC 68000
四、控制单元CU和中断系统
1.CU 产生全部指令的微操作命令序列 组合逻辑设计
硬连线逻辑
微程序设计 2.中断系统
五、ALU
cpu的基本结构和功能
cpu的结构
一、cpu的功能 1.控制器的功能 取指令 分析指令 执行指令，发出各种操作命令 控制程序输入级结果的输出 总线管理 处理异常情况和特殊请求 2.运算器的功能 实现算术运算和逻辑运算
二、cpu结构框图 1.cpu与系统总线 指令控制 操作控制 时间控制 数据加工 处理中断
6.cpu工作周期的标志 CPU访存有四种性质
加、减、乘、除
与、或、非
Байду номын сангаас
存储逻辑
指令周期的基本概念
1.指令周期 取出并执行一条指令所需的全部时间
完成一条指令
取指、分析 执行
取指周期 执行周期
取指阶段
执行阶段
取指周期 （取指、分析）
执行周期 （执行指令）
指令周期
7-1 中央处理器的功能和组成
CPU的主要技术指标
过去，前端总线频率与外频是相同的，因此往 往直接称前端总线频率为外频。随着计算机技术的 发展，需要前端总线频率高于外频，使得前端总线 频率成为外频的2倍、4倍che又称CPU Cache，它的容量和工作 速率对提高计算机的速度起着关键的作用。CPU Cache可以分为L1 Cache、L2 Cache，部分高端 CPU还具有L3 Cache。
CPU的主要技术指标
地址总线宽度决定了CPU可以访问的最大的物 理地址空间，简单地说就是CPU到底能够使用多大 容量的主存。例如，Pentium有32位地址线，可寻 址的最大容量为232＝4096MB（4GB），Itantium有 44位地址线，可寻址的最大容量为244＝16TB。
CPU的主要技术指标
CPU的主要技术指标
外部工作频率是由主板为CPU提供的基准时钟 频率。
早期，CPU的内频就等于外频。目前，CPU的 内频越来越高，相比之下其他设备的速度还很缓慢 ，所以现在外频跟内频不再只是一比一的同步关系 ，从而出现了所谓的内部倍频技术，导致了“倍频 ”的出现。内频、外频和倍频三者之间的关系是：
CPU的组成
运算器的主要功能有： (1) 执行所有的算术运算； (2) 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。
CPU的主要技术指标
CPU的字长是指在单位时间内同时处理的二进 制数据的位数。CPU按照其处理信息的字长可以分 为：8位CPU、16位CPU、32位CPU以及64位CPU 等。
CPU的主要技术指标
CPU中的主要寄存器
存储器数据寄存器用来暂时存放由主存储器读 出的一条指令或一个数据字；反之，当向主存写入 一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在存 储器数据寄存器中。
计算机组成原理-CPU的组成和功能
5.1.3 CPU中的主要寄存器
➢ 3.程序计数器（PC）
为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必
须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而
程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称
为指令计数器。在程序开始执行前，必须将它
的起始地址，即程序的一条指令所在的内存单
元地址送入PC，因此PC的内容即是从内存提取
➢ 运算器
▪ 由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据 缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数 据加工处理部件。相对控制器而言，运算器 接受控制器的命令而进行动作 ，即运算器 所进行的全部操作都是由控制器发出的控制 信号来指挥的，所以它是执行部件。
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5.1.2 CPU的基本组成
➢ CPU模型参看下图：
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5.1.2 CPU的基本组成
图5.1 CPU的结构图 上一页 返回 下一页
5.1.2 CPU的基本组成
➢ 控制器
由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、 时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令 的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算 机系统的操作。
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5.1.1 CPU的功能
CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的， 它具有如下四方面的基本功能：
➢ 指令控制
程序的顺序控制称为指令控制。由于程序 是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任
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5.1.1 CPU的功能
➢ 操作控制
一条指令的功能往往是由若干个操作信号 的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内 存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信 号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令 的要求进行动作。
计算机组成原理第六章CPU的结构和功能精品PPT课件
中央处理器
操作控制器和时序产生器
1. 数据通路：通常把许多寄存器之间传送信息的通路， 称为“数据通路”。 2. 操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种 操作信号，以便正确建立数据通路，从而完成取指令和 执行指令的操作。 3. 时序产生器：因为计算机高速地进行工作，每一个动 作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序产生器 的作用，就是对各种操作实施时间上的控制。
组成。
中央处理器
控制器
由程序计数器、指令寄存器、指令译码
器、
时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策
机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。控
制器的主要功能有：
1.从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中 的位置。
2.对指令进行译码或测试，并产生相应的控制信号。
3.指挥并控制CPU，内存和I/O之间的数据流动的方向。
中央处理器
T周期
T1
T2
T3
T4
CPU周期 （取指令）
CPU周期 （执行指令 ） 指令周期
中央处理器
中央处理器
取指周期
中央处理器
间址周期
中央处理器
执行周期
◦ 许多类型 ◦ 主要是涉及到处理器内部的寄存器 ◦ 可能的操作有
数据传输 ALU 控制指令的处理
中央处理器
中断周期
中央处理器
把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求 进行动作。 ◦ 时间控制： 对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。 ◦ 数据加工： 所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算 处理。Байду номын сангаас成数据的加工处理，这是CPU的根本的任务。
简单介绍计算机硬件系统的组成及各部件功能
简单介绍计算机硬件系统的组成及各部件功能全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：计算机硬件系统是由多个部件组成的，每个部件都有其独特的功能和作用。
下面就让我们来简单介绍一下计算机硬件系统的组成以及各部件的功能。
计算机硬件系统的组成可以分为主要的四个部分，分别是中央处理器（CPU）、内存（Memory）、硬盘（Hard Disk）以及输入输出设备。
这些部件通过各自的功能相互配合，实现了计算机的各种操作和功能。
首先我们来介绍一下中央处理器（CPU）。
中央处理器是计算机的“大脑”，负责执行各种计算任务和指令。
它包括控制单元和算术逻辑单元，控制单元负责指挥和协调各个部件的工作，算术逻辑单元则负责执行各种算术运算和逻辑判断。
中央处理器的性能和速度直接影响了计算机的运行效率和速度。
其次是内存（Memory）。
内存是用来存储计算机正在运行的程序和数据的地方，它可以快速读写数据，以提高计算机的运行速度。
内存可以分为主内存和辅助存储器（如硬盘），主内存用来存储当前正在运行的程序和数据，而辅助存储器则用来长期存储数据。
再来是硬盘（Hard Disk）。
硬盘是计算机的主要存储设备，用来存储操作系统、应用程序、数据等信息。
硬盘有机械硬盘和固态硬盘两种类型，固态硬盘速度更快，但成本也更高。
硬盘的容量决定了计算机可以存储的数据量，而读写速度则影响了计算机的运行速度。
最后就是输入输出设备。
输入输出设备用来与计算机进行数据的输入和输出，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
键盘和鼠标用来输入数据和指令，显示器用来显示计算机的操作界面，打印机用来输出数据和文档。
输入输出设备的种类繁多，每种设备都有其独特的功能和用途。
计算机硬件系统的组成包括中央处理器、内存、硬盘以及输入输出设备，每个部件都有其独特的功能和作用。
这些部件通过相互配合，实现了计算机的各种操作和功能，提供了我们用来工作和娱乐的便利。
随着科技的发展，计算机硬件系统也在不断更新和完善，为我们带来更便捷、更高效的计算体验。
组成第十一讲--中央处理器的功能及结构
根据设计方法不同，操作控制器可分为组合逻辑
控制器和微程序控制器两种
◦ 二者的区别在于其中的控制信号形成部件不同，进而反 映出不同的设计原理和方法
◦ 根据使用器件的不同，组合逻辑控制器又可进一步细分
若为单字长指令，则(PC)+1PC 若为双字长指令，则(PC)+2PC，以此类推
程序计数器具有寄存信息和计数两种功能
4. 地址寄存器
地址寄存器（Address Register，AR）用来保存 CPU当前所访问的主存单元的地址 由于在主存和CPU之间存在操作速度上的差异，必须 使用地址寄存器来暂时保存主存的地址信息，直到主 存的存取操作完成为止 当CPU和主存进行信息交换时，都要使用地址寄存器 和数据寄存器 如果把外围设备与主存单元进行统一编址，那么，当 CPU和外围设备交换信息时，同样要使用地址寄存器 和数据寄存器
⑴作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站 ⑵弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异 ⑶在单累加器结构的运算器中，数据寄存器还可兼作操作数寄存器
2. 指令寄存器
指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在 执行的一条指令 当执行一条指令时，
1. 数据寄存器
数据寄存器（Data Register，DR）又称数据缓冲寄存器
◦ 其主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站 ◦ 用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异
数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数 据字 当向主存存入一条指令或一个数据字时，也将它们暂时存放在 数据寄存器中 数据寄存器的作用
CPU的结构和功能.
中央处理器
3. 总线与数据通路结构： （1）ALU总线 CPU内部采用单总线结构，即设置一组由16根
双向数据传送组成的ALU总线（CPU内总线）， ALU和所有的寄存器通过这组公共总线连接起来。 在单总线结构中，CPU的任何两个部件间的数据 传送都必须通过这组总线，控制较简单，但传送 速度受到限制。
器的算术逻辑单元（ALU）执行全部算术和逻辑运算时，为 ALU提供一个工作区。累加寄存器是暂时存放ALU运算的结 果信息。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。 2.状态条件寄存器PSW 状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的 结果建立的各种条件码内容，同时状态条件寄存器还保存 中断和系统工作状态等信息，以便使CPU和系统能及时了解 机器运行状态和程序运行状态。因此，状态条件寄存器是 一个由各种状态条件标志拼凑而成的寄存器。
存放操作数 可作 某种寻址方式所需的 专用寄存器 存放操作数（满足各种数据类型） 两个寄存器拼接存放双倍字长数据 存放地址，其位数应满足最大的地址范围 用于特殊的寻址方式 段基值 栈指针 存放条件码，可作程序分支的依据 如 正、负、零、溢出、进位等
中央处理器
(1) 控制寄存器
PC
MAR
M
MDR
IR
（6）堆栈指针SP：
SP用来指示堆栈栈顶的位置，其内容是栈顶单元 的地址。
SP也是可编程访问的寄存。
中央处理器
（7）与主存接口的寄存器MAR、MDR：
地址寄存器MAR用来存放CPU访问主存或I/O 接口的地址。MAR连接地址总线的输出门是三 态门。
数据寄存MDR用来存放CPU与主存或I/O接口 之间传送的数据。
还可暂存从主存储器读出的数据，并设有左移 和右移的功能。
计算机基本结构
计算机基本结构计算机基本结构是指计算机系统中各个组成部分的组织和联系方式，包括硬件和软件两个层面。
硬件层面主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等；软件层面主要包括操作系统、应用程序等。
计算机的基本结构决定着计算机的性能和功能。
一、中央处理器（CPU）中央处理器是计算机硬件中的核心部件，负责执行各种计算和控制指令。
它由运算器（ALU）、控制器和寄存器组成。
运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责解析和执行指令，寄存器用于存储数据和指令。
1. 运算器（ALU）运算器是计算机中的算术和逻辑运算单元，它可以对数据进行加、减、乘、除等各种运算操作，同时还可以进行逻辑运算，如与、或、非等。
运算器的性能直接影响计算机的运算速度和处理能力。
2. 控制器控制器是计算机中的指令解析和执行单元，它负责解析指令、控制各个部件的工作顺序以及处理异常情况。
通过控制器，计算机可以按照指令的要求完成各种操作。
3. 寄存器寄存器是计算机中的高速存储器，用于存储正在运行的指令和数据。
计算机中有多个寄存器，包括通用寄存器、程序计数器、指令寄存器等，它们具有不同的功能和用途。
二、存储器存储器是计算机中的数据存储部件，主要分为内存和外存两种形式。
内存是计算机中的主要存储介质，用于存储正在运行的程序和数据；外存则是辅助的存储介质，用于离线存储和长期保存数据。
1. 内存内存是计算机中的主要存储器，分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。
RAM用于存储程序和数据，可读写；ROM用于存储固定的程序和数据，只读。
内存的容量和速度直接影响计算机的性能。
2. 外存外存主要包括硬盘、光盘、U盘等存储介质，用于离线存储和长期保存数据。
外存容量一般较大，但访问速度相对较慢。
三、输入输出设备输入输出设备是计算机与外部环境交互的接口，主要用于数据的输入和输出。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等；输出设备包括显示器、打印机、音响等。
计算机组成原理ppt课件
常见输入输出接口类型和特点比较
要点一
常见输入输出接口类型
要点二
特点比较
常见的输入输出接口类型包括PS/2接口、USB接口、HDMI 接口、DisplayPort接口、SATA接口等。
不同的输入输出接口类型具有不同的特点，如传输速度、支 持热插拔、连接方式等。例如，USB接口支持热插拔和即插 即用，而SATA接口则主要用于连接硬盘和光驱等存储设备。
定点数表示与运算方法
定点数表示方法
阐述定点数的表示方法，包括符号位、 数值位等，并介绍定点数的范围及精 度。
定点数加减运算
详细讲解定点数的加减运算方法，包 括补码加减运算等。
定点数乘除运算
介绍定点数的乘除运算方法，包括原 码乘除、补码乘除等算法。
定点数运算器的设计
阐述定点数运算器的设计原理和实现 方法，包括加法器、减法器、乘法器 和除法器等。
当中断发生时，计算机首先保存当前程序的执行状态，然后转去执行中断处理程序。中断处理程序执行完毕 后，计算机再返回原程序继续执行。这个过程需要由计算机的操作系统来管理和控制。
THANK YOU
指令系统设计原则和优化策略
有效性原则
指令系统应能有效地支持高级 语言的实现，提高程序执行效 率。
兼容性原则
新设计的指令系统应尽可能与 已有的指令系统保持兼容。
完备性原则
指令系统应满足程序设计的各 种需求，具备完备性。
规整性原则
指令系统应尽可能规整，简化 硬件实现和软件编程。
优化策略
采用流水线技术、超标量技术、 乱序执行技术等优化策略，提 高指令执行速度和效率。
高速缓冲存储器（Cache）原理及应用
Cache原理
Cache是一种高速缓冲存储器，它位于CPU和内存之间，用于存储CPU最近访问过的数 据和指令。通过Cache技术，可以提高CPU访问内存的效率和速度。
信息技术基础模块之计算机硬件解析
信息技术基础模块之计算机硬件解析计算机硬件解析计算机硬件是构成计算机系统的实体部分，包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、显示器、键盘等。
它们相互协作，使得计算机能够完成各种任务。
本文将对计算机硬件进行解析，介绍其基本组成和工作原理。
一、中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令并控制系统的运行。
CPU由运算器、控制器和寄存器组成。
运算器用于完成算术和逻辑运算，控制器负责解析和执行指令，寄存器用于临时存储数据和指令。
CPU的性能与其频率、核心数和缓存大小等因素相关。
频率决定了CPU的时钟速度，核心数表示其可以同时处理的任务数量，缓存则用于存储临时数据，加快数据访问速度。
二、内存内存是计算机用于存储数据和指令的地方，它具有快速的读写速度。
内存被划分成不同的存储单元，每个单元可以存储一个字节的数据。
内存的容量影响着计算机的运行速度和多任务处理能力。
常见的内存类型有：随机存取内存（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM是临时存储器，当计算机关闭时数据就会丢失；而ROM是不可修改的存储器，用于存储计算机的启动程序和重要的固件。
三、硬盘硬盘是计算机的主要存储介质，用于长期保存数据和程序。
它的容量通常较大，可以存储大量的文件。
硬盘分为机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）两种类型。
机械硬盘通过旋转的磁盘和读写头来读取和存储数据。
它具有较大的容量和较低的价格，但读写速度较慢。
固态硬盘采用闪存存储技术，没有机械部件，读写速度更快，但价格较高。
四、显示器显示器是计算机的输出设备，用于显示图像和文字。
常见的显示器类型有液晶显示器（LCD）、有机发光二极管显示器（OLED）和投影仪。
LCD是一种基于光学现象的显示技术，通过液晶单元来控制光的透过与阻挡，从而显示图像。
OLED则是一种基于发光二极管的显示技术，具有更高的对比度和色彩饱和度。
投影仪可将计算机的屏幕投射到墙壁或幕布上，实现大屏幕显示。
五、键盘与鼠标键盘和鼠标是计算机的输入设备，用于向计算机输入操作指令。
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当执行指令时，
◦ CPU能自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令 的主存地址，为取下一条指令做好准备
若为单字长指令，则(PC)+1PC 若为双字长指令，则(PC)+2PC，以此类推
中央处理器的功能及结构
计算机组成原理
什么是cpu？
当用计算机解决某个问题时，我们首先必须为它 编写程序。从上一章知道，程序是一个指令序列， 这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在 什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装入 内存储器，就可以由计算机来自动完成取出指令 和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的计 算机部件称为中央处理器，通常简称CPU。
当向主存存入一条指令或一个数据字时，也将它们暂时存放在 数据寄存器中
数据寄存器的作用
⑴作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站 ⑵弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异 ⑶在单累加器结构的运算器中，数据寄存器还可兼作操作数寄存器
2. 指令寄存器
指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在 执行的一条指令
◦ 计算机一条一条地执行指令，实现预先设计的程序控制， 直到程序规定的任务完成为止
CPU的基本功能
1）程序控制 2）操作控制 3）时间控制 4）数据加工
1）程序控制
程序控制就是控制指令的执行顺序 程序是指令的有序集合
◦ 指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按照程序规定 的顺序执行
保证计算机按一定顺序执行程序是CPU的首要任 务
控制器的组成
◦ 程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器 （ID）、时序发生器、操作控制器
控制器的主要功能
⑴从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置 ⑵对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，以便启动规
定的动作 ⑶指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间数据流动的方
向
运算器主要功能
⑴执行所有的算术运算 ⑵执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试
三、CPU中的主要寄存器 各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但是在
CPU中至少要有六类寄存器，如上图所示。 这些寄存器是： (1)指令寄存器(IR)； (2)程序计数器(PC)； (3)地址寄存器(AR)； (4)缓冲寄存器(DR)；(5)累加寄存器(AC)； (6)状态条件寄存器(PSW)。 上述这些寄存器用来暂存一个计算机字。根据需要，
◦ 在控制器的指挥控制下，运算器、存储器和输入/输出 设备等部件协同工作，构成一台完整的通用计算机
控制器根据程序预定的指令执行顺序，
◦ 从主存取出一条指令， ◦ 按照该指令的功能，用硬件产生带有时序标志的一系列
微操作控制信号 ◦ 控制计算机内各功能部件的操作 ◦ 协调和指挥整个计算机实现指令的功能
指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入
◦ 操作码一经译码，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号
3. 程序计数器
程序计数器（Program Counter，PC）用来指出下一条 指令在主存储器中的地址
在程序执行之前，
◦ 首先必须将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地 址送入PC
可以扩充其数目。下面详细介绍这些寄存器的功能与 结构。
1. 数据寄存器
数据寄存器（Data Register，DR）又称数据缓冲寄存器
◦ 其主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站 ◦ 用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异
数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数 据字
2）操作控制
操作控制就是控制指令进行操作 一条指令的功能往往由若干个操作信号的组合来
实现
◦ CPU管理并产生每条指令的操作信号 ◦ 把各种操作信号送往相应的部件 ◦ 从而控制这些部件按指令的要求进行操作
3）时间控制
时间控制就是对各种操作实施定时控制
◦ 因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定 时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格 定时。
化
CPU主要组成部分的逻辑结构
CPU
算术逻辑单元 c
c
c
ALU
程序状态字寄存器PSW
c
累加器AC
程序计数器PC
c
地址寄存器AR
c
数据寄存器DR
取指 执行 控制 控制
操作控制器 时序发生器
时钟 状态反馈
指令译码器
指令寄存器IR
c
c
地址总线 ABUS
存储器 输入/输出
数据总线 DBUS
1．控制器
控制器是整个计算机系统的指挥中心
2．运算器
运算器是计算机中用于实现数据加工处理功能的部件
◦ 接受控制器的命令，完成对操作数据的加工处理任务 ◦ 其核心部件是算术逻辑单元ALU
相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动 作
◦ 即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来 指挥的
◦ 所以是执行部件
运算器的组成
◦ 算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）、数据寄存 器（DR）、程序状态字寄存器（PSW）
◦ 只有这样，计算机才能有条不紊地工作
4）数据加工
数据加工就是对数据进行算术和逻辑运算
完成数据的加工处理，是CPU的由控制器和运算器这两个主要部件 组成
◦ 新型CPU集成了一些原先置于CPU之外的分立功能部件
如浮点处理器、高速缓存（Cache）等 大大提高CPU性能指标，也使得CPU的内部组成日益复杂
当执行一条指令时，
◦ 首先把该指令从主存读取到数据寄存器中 ◦ 然后再传送至指令寄存器
指令译码器（Instruction Decoder，ID）
◦ 对操作码进行测试，识别出所要求的操作 ◦ 对指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生指令所要求操作的控制
电位，并将其送到微操作控制线路上 ◦ 在时序部件定时信号的作用下，产生具体的操作控制信号
计算机组成原理
作为控制并执行指令的部件，CPU对整个计算机 系统的运行是至关重要的
◦ 不仅要与计算机的其他功能部件进行信息交换 ◦ 还要控制这些功能部件的操作
CPU工作过程
◦ 编写程序，把程序同数据预先保存到主存储器中 ◦ 计算机工作时，
按顺序逐条取出指令，分析指令，执行指令 自动转到下一条指令