计算机核心部件及其.

计算机的工作过程（简要介绍）
设某机器的指令字长为16位，其中操作码占6 位，地址码占10位，如下图所示
操作码
操作数
6位
10位
指令和数据 存于主存单 元的地址
指 操作码
令 地址
注释
0
000001 0000001000 取x送至ACC
1
000100 0000001001 乘a得ax-〉ACC
2
000011 0000001010 加b得ax+b->ACC
第三章 计算机核心部件及其 工作原理
第一节 中央处理器（CPU）
冯•诺伊曼计算机的特点
• 冯•诺伊曼计算机的特点
– 计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输 出设备组成
– 指令和数据一起以同等地位存放于存储器内， 并可按地址访问
– 指令和数据均用二进制代码表示 – 指令由操作码和地址码组成，操作码用于表
D1 储 器
D0
– 存储器成为计算机的中心
控制器
输入设备
存储器
输出设备
运算器 以存储器为中心的计算机结构框图
存储器读操作
来自CPU的 地址寄存器 00000010
CPU发送读命令
地 址 译 码 器
控制
将数据传送给CPU 00010000 ………………
– 输入/输出系统的功能加强
• 采用了中断技术、DMA的方式的高速总线技术
示操作的性质，地址码用来表示操作数在存 储器中的位置
冯•诺伊曼计算机的特点
– 指令在存储器内按顺序存放 – 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储
器间的数据传送都通过运算器来完成。
典型的冯•诺伊曼计算机结构框图
存储器
输入设备
运算器
输出设备
控制器 典型的冯•诺伊曼计算机结构框图
冯•诺伊曼计算机结构的演化
指令系统
• 基本概念
– 指令：计算机执行某种操作的命令 – 指令系统：计算机各种操作的集合
• 指令系统是完备的 • 指令系统支持最高效率的执行 • 指令编码是合理的 • 指令系统须采取系列设计
• 指令字长和指令格式
– 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据 的位数
– 指令字长：指令中包含的二进制代码的位数。
CU
控 数地 制 据址 总 总总 线 线线
使用系统总线的CPU
CPU的寄存器
• CPU的寄存器
– 用户可见的寄存器
• 通用寄存器 • 数据寄存器 • 地址寄存器 • 条件代码寄存器
CPU的寄存器
– 控制和状态寄存器
• MAR 存储器地址寄存器 • MDR 存储器数据寄存器 • PC 程序计数器 • IR 指令寄存器
• 单字长指令：指令字长和机器字长相等 • 双子长指令：指令子长度是机器子长的两倍
» 指令格式：由操作码和操作数组成
操作码 操作数/操作数地址
• 操作码：决定了操作的类型
操作（助记符） 加法 减法 乘法 除法 逻辑与 取数 存数 停机
操作码编码（二进制） 000 001 010 011 100 101 110 111
– 取指令 – 分析指令 – 执行指令
CPU的控制单元
• CPU的控制单元
– 指令周期的基本概念
• CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指 令周期
取指阶段 取指周期 （取指、分析）
wk.baidu.com
执行阶段 执行周期 执行指令
指令周期
CPU的控制单元
• 指令周期的比较
取指周期 指令周期
无条件转移指令 JMP X
• 控制部件多样化 • 现代计算机系统采用了总线结构
– 总线：连接计算机各部件的一组公共信号线， 它是计算机中传送信号代码的公共通道。
• 内部总线：把微处理机内部各个逻辑功能单元互 相连接起来的线路
• 外部总线：把计算机各个功能部件互相连接起来 的总线
– 数据总线、控制总线、地址总线
• 数据总线
– 实现CPU、存储器和输入输出设备三者之间的数据交 换
3
000100 0000001000 乘x得(ax+b)x->A
4
000011 0000001011 加c得(ax+b)x+c-
5
000010 0000001100 存数
6
000101 0000001100 打印
7 000110
停机
8
x
9
a
10
b
11
c
12
使用系统总线的CPU
CPU
ALU
寄存器
中断系统
– 双向总线
• 地址总线
– 用来输出指定的存储器或I/O设备地址的总线 – 单向总线 – 地址总线的数目决定了所能访问的存储单元的数目
• 控制总线
• 三态门缓冲器
输入
输出
启动/禁止
控制端
输入
0
0
0
1
1
0
1
1
输出 0 1
高阻抗 高阻抗
D3
来 D2 自 C P D1 U
D0
0
1
C1
C2
D3
D2 来 自 存
CPU的控制单元
指 令 周 期 （包括1~n个机器周期）
机 器 周 期 M1 机器周期T T1 T2 … Tn
机 器 周 期 M2 T1 T2 … Tn
Φ
CPU的控制单元
• 微操作信号的产生电路设计方法
– 数字逻辑设计方法 – 微程序设计方法
流水线技术
• 如何提高整机的处理能力
– 提高器件的性能 – 改进系统的结构，开发系统的并行性
通用寄存器
指针和变址
80
AX
SP
86
BX
BP
微 处
CX
SI
理
DX
DI
器
段
CS DS
程序状态
寄
IP
存 器
F
的
SS
组
ES
织
细化的计算机组成框图
ACC
MQ
ALU
X 运算器
CPU
…
存
CU IR
储
控
体
I/O
制 PC 单
MDR
元 控制器
MAR
主存储器
CPU的功能（控制器的功能）
• CPU的功能（控制器的功能）
流水线技术
• 流水线结构
– 取指令，微处理器从高速缓存或内存中取一 条指令
– 指令译码，分析指令 – 操作数地址生成，针对访存指令，要访问存
• 操作数码
– 无操作数指令
操作码
– 由操作数指令
操作码 操作数1/操作数地址1 …… 操作数n/操作数地址n
计算机的工作过程（简要介绍）
• 计算机的工作过程（简要介绍）
例：计算 ax2+bx+c 化简(ax+b)*x+c
运算步骤：
• 取x送指运算器中 • 乘以a，得ax，存于运算器中 • 加b，得ax+b，存于运算器中 • 乘以x，得(ax+b)x，存于运算器中 • 加c，得(ax+b)x+c，存于运算器中
取指周期
执行周期
指令周期
加法指令
取指周期
执行周期
指令周期
乘法指令
CPU的控制单元
– 机器周期：完成一个基本的操作如读或写等 所需要的时间
– 时钟周期（节拍、状态）
• 在一个机器周期里可以完成若干个微操作，每个 微操作都需要一定的时间，可以用时钟信号来控 制产生每一个微操作命令。这样一个机器周期内 就包含了若干个时钟周期，又称节拍或状态。