罗克露计算机组成原理课件-3CPU-2组合逻辑控制器
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计算机组成原理 罗克露
选择器 选择器
通用寄存器组
（2）控制器 ） 1）功能：产生控制命令(微命令 ， ）功能：产生控制命令 微命令)， 微命令 控制全机操作。 控制全机操作。 2）组成： ）组成： 微命令序列 微命令发生器
指 令 信 息 状 态 信 息 时 序 信 号
微命令产生方式（指令执行控制方式）： 微命令产生方式（指令执行控制方式）： 组合逻辑控制方式： 组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 微程序控制方式： 微程序控制方式： 由微指令产生 微命令
（2）单总线结构 ）
系 统 总 线
CPU M 接口 I/O 接口 I/O
（3）以M为中心的双总线结构 ） 为中心的双总线结构
系 统 总 线
CPU M 总线 M 接口 I/O 接口 I/O
（4）多级总线结构 ）
RAM CPU
总线控制逻辑
ROM
公共接口
局部总线
系统总线
M扩展板 I/O接口板 I/O接口板
第一章 概论
主要内容： 主要内容：
计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
第一节 计算机的基本概念 1.1.1 冯 · 诺依曼思想
1. 用二进制代码表示程序和数据； 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制 计算机硬件由存储器、运算器、 器、输入设备和输出设备组成。 输入设备和输出设备组成。
4. 数据传输率 总线位数× 总线位数×总线时钟频率 总线带宽 = 8
（B/S） ）
5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令 ）指令系统功能（寻址方式、 类型） 类型） （2）系统软件配置 ）
通用寄存器组
（2）控制器 ） 1）功能：产生控制命令(微命令 ， ）功能：产生控制命令 微命令)， 微命令 控制全机操作。 控制全机操作。 2）组成： ）组成： 微命令序列 微命令发生器
指 令 信 息 状 态 信 息 时 序 信 号
微命令产生方式（指令执行控制方式）： 微命令产生方式（指令执行控制方式）： 组合逻辑控制方式： 组合逻辑控制方式：由组合逻辑电 路产生微命令 微程序控制方式： 微程序控制方式： 由微指令产生 微命令
（2）单总线结构 ）
系 统 总 线
CPU M 接口 I/O 接口 I/O
（3）以M为中心的双总线结构 ） 为中心的双总线结构
系 统 总 线
CPU M 总线 M 接口 I/O 接口 I/O
（4）多级总线结构 ）
RAM CPU
总线控制逻辑
ROM
公共接口
局部总线
系统总线
M扩展板 I/O接口板 I/O接口板
第一章 概论
主要内容： 主要内容：
计算机的基本概念 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 系统硬件组成（主要部件、系统结构） 计算机的性能指标
第一节 计算机的基本概念 1.1.1 冯 · 诺依曼思想
1. 用二进制代码表示程序和数据； 用二进制代码表示程序和数据； 2. 计算机采用存储程序的工作方式； 计算机采用存储程序的工作方式； 3. 计算机硬件由存储器、运算器、控制 计算机硬件由存储器、运算器、 器、输入设备和输出设备组成。 输入设备和输出设备组成。
4. 数据传输率 总线位数× 总线位数×总线时钟频率 总线带宽 = 8
（B/S） ）
5. 处理功能 （1）指令系统功能（寻址方式、指令 ）指令系统功能（寻址方式、 类型） 类型） （2）系统软件配置 ）
罗克露计算机组成原理课件-3CPU-1运算部件(06级)
1 1011
1 0110
（2）双符号位：
10 1100
11 0110
（3）移位规则
左移
右移
右移
1 1011
1 1101
左移
右移
右移
11 0110
11 1011
数符不变
（单：符号位不变；双：第一符号位不变）。
左移空位补0
（第二符号位移至尾数最高位）。
第三章 CPU子系统
运算部件
寄存器
寄存器
控制部件
运算器
控制器
CONTENTS
本章主要讨论：
运算器 控制器 数据通路结构 与外部的连接
CPU工作原理
指令的执行过程
CPU组成
第一节 运算器组织
独立结构
小型存储 器结构
单口 双口
寄存器组
独立R、双口RAM用多路选择器作为ALU的输入逻辑， 单口RAM用锁存器作为ALU的输入逻辑。
0 1111
1 0110 1 1001
1. 硬件判断逻辑一（SA、SB与Sf的关系）
溢出=
SA
SB
Sf
SA
Sf
SB
2. 硬件判断逻辑二（Cf与C的关系）
溢出= Cf C
3. 硬件判断逻辑三（双符号位）
3.2.1.3 移位操作
逻辑移位
：数码位置变化，数值不变。
1. 移位类型
算术移位
X补=1 1101 Y补=1 1110
1 1011
（– 5补码）
1) X=3 Y=2
X补=0 0011 Y补=0 0010
0 0101
（+5补码）
4) X= –3 Y= 2
1 0110
（2）双符号位：
10 1100
11 0110
（3）移位规则
左移
右移
右移
1 1011
1 1101
左移
右移
右移
11 0110
11 1011
数符不变
（单：符号位不变；双：第一符号位不变）。
左移空位补0
（第二符号位移至尾数最高位）。
第三章 CPU子系统
运算部件
寄存器
寄存器
控制部件
运算器
控制器
CONTENTS
本章主要讨论：
运算器 控制器 数据通路结构 与外部的连接
CPU工作原理
指令的执行过程
CPU组成
第一节 运算器组织
独立结构
小型存储 器结构
单口 双口
寄存器组
独立R、双口RAM用多路选择器作为ALU的输入逻辑， 单口RAM用锁存器作为ALU的输入逻辑。
0 1111
1 0110 1 1001
1. 硬件判断逻辑一（SA、SB与Sf的关系）
溢出=
SA
SB
Sf
SA
Sf
SB
2. 硬件判断逻辑二（Cf与C的关系）
溢出= Cf C
3. 硬件判断逻辑三（双符号位）
3.2.1.3 移位操作
逻辑移位
：数码位置变化，数值不变。
1. 移位类型
算术移位
X补=1 1101 Y补=1 1110
1 1011
（– 5补码）
1) X=3 Y=2
X补=0 0011 Y补=0 0010
0 0101
（+5补码）
4) X= –3 Y= 2
计算机组成原理控制器(共15张PPT)
时钟周期1
(节拍1)
时钟周期2
(节拍2)
工作脉冲k
….
时钟周期m
(节拍m)
….
第8页，共15页。
三级时序信号的关系
3级控制时序信号的宽度均成正整数倍同步关系。周期 状态之间，节拍电位之间，（时标脉冲）之间既不容许有 重叠交叉，又不容许有空白间隙，应该是能一个接一个地 准确连接，一个降落另一个升起而准确切换的同步信号。
第6页，共15页。
三级时序信号的关系
一台计算机机内的控制信号一般均由若干个周期状态，若 干个节拍电位及若干个时标脉冲这样3级控制时序信号定时 完成器周期/工作周期
CPU周期1
指令周期
CPU周期2
……
CPU周期n
….. ……….
节拍脉冲/T周期 工作脉冲1
工作脉冲2
第9页，共15页。
晶振输出
工作脉冲P
对微操作定时
打入IR 打入PC
时钟T1 控制分步操作时间
时钟T2
取出指令
修改PC
工作周期1 控制不同阶段操作时间
取指
工作周期2
取数
工作周期3
指令周期
第10页，共15页。
执行
控制方式
如何形成控制不同微操作序列的时序控制信号 的方法，称为控制器的控制方式。
控制方式通常分为同步控制方式、异步控制方 式、同异步联合控制方式三类。
由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存 所花的时间较长，通常用存储周期为基础来规定CPU周 期。
第3页，共15页。
三级时序信号 1、周期
（1） 在一个控制阶段内均持续起作用的信号；
（2） 通常用周期状态寄存器来标志和指明某某周 期控制；
计算机组成原理PPT课件
图像处理软件
如Photoshop、GIMP等，用于编辑、处理 和美化图像。
游戏软件
提供娱乐和休闲功能，丰富人们的生活。
软件开发与维护
需求分析
对软件的功能需求进行详细分析，确 定软件的目标和功能。
02
设计阶段
根据需求分析结果，设计软件的架构、 模块和接口等。
01
03
编码阶段
根据设计文档，使用编程语言实现软 件的各个模块。
数据运算与逻辑运算
数据运算
加法、减法、乘法、除法等。
逻辑运算
与运算、或运算、非运算等。
运算器
加法器、乘法器、比较器等。
数据存储与访问方式
数据存储
内存、硬盘、闪存等。
访问方式
随机访问、顺序访问等。
存储结构
线性结构、树形结构、图形结构等。
06 计算机系统性能评价
计算机性能指标
运算速度
指计算机完成一项操作所需的时间， 包括CPU运算速度、内存存取速度等。
按用途
通用计算机和专用计算机。
计算机的应用领域
数据处理
企业、政府等组织 的数据存储、分析 和处理。
辅助设计
建筑设计、机械设 计、影视制作等领 域。
科学计算
天气预报、物理模 拟、工程设计等领 域。
自动控制
工业生产、交通管 理、智能家居等领 域。
网络通信
电子邮件、社交媒 体、在线会议等领 域。
02 计算机硬件组成
接口是连接设备与总线的桥梁，常 见的接口包括USB、HDMI等。
03 计算机软件组成
系统软件
操作系统ห้องสมุดไป่ตู้
是计算机系统的基本软件，负责管理计算机的硬件和应用程序，提供 计算机系统的控制、管理、维护等功能。
计算机组成原理课件讲解PPT
计算机系统包括计算机硬件、操作系统、应用软件等多个部分，维护整个系 统的性能非常重要。
控制器
负责从存储器中提取指令，对整 个计算机进行协调和控制。
寄存器
用于快速存储和访问计算机执行 过程中需要用到的数据。
流水线技术的应用
流水线技术是将一个大的任务分成若干个小任务，分别处理后再组合成整体任务的技术，可以大大提高计算机 运行速度。
计算机性能指标
CPU主频
衡量CPU运行速度的重要标准。
存储器的层次结构
高速缓存
位于CPU和主内存之间，是存储器层次结 构中速度最快也最小的一层。
主内存
是计算机中大小和访问速度相对均衡的存 储器，主要用于保存程序及数据。
辅助存储器
数据传输速度较慢的存储器，常用于长期存储，如硬盘和光盘。
中央处理器的组成与工作原理
运算器
负责进行各种算术和逻辑运算， 是中央处理器的核心部分。
输入输出设备的分类
人机交互设备
如鼠标、键盘、触摸屏等，用于交互式操 作和输入。 Nhomakorabea图形设备
如显示器、投影仪等，用于显示图像、视 频等数据。
字符设备
如打印机、扫描仪等，用于数据输入输出。
输入输出方式的实现
1
中断方式
2
当有输入输出任务需要处理时，CPU会
停止当前的操作，并进入服务程序处理
输入输出任务。
3
计算机硬件系统的构架
1
冯诺依曼体系结构
由冯诺依曼于1945年提出，是计算机硬件结构设计的基本原则。
2
哈佛体系结构
指将指令和数据储存在不同的内存中，使得数据和指令可以同时传输。
3
人工智能体系结构
指为了加速特定类型的人工智能计算而设计的硬件和软件。
控制器
负责从存储器中提取指令，对整 个计算机进行协调和控制。
寄存器
用于快速存储和访问计算机执行 过程中需要用到的数据。
流水线技术的应用
流水线技术是将一个大的任务分成若干个小任务，分别处理后再组合成整体任务的技术，可以大大提高计算机 运行速度。
计算机性能指标
CPU主频
衡量CPU运行速度的重要标准。
存储器的层次结构
高速缓存
位于CPU和主内存之间，是存储器层次结 构中速度最快也最小的一层。
主内存
是计算机中大小和访问速度相对均衡的存 储器，主要用于保存程序及数据。
辅助存储器
数据传输速度较慢的存储器，常用于长期存储，如硬盘和光盘。
中央处理器的组成与工作原理
运算器
负责进行各种算术和逻辑运算， 是中央处理器的核心部分。
输入输出设备的分类
人机交互设备
如鼠标、键盘、触摸屏等，用于交互式操 作和输入。 Nhomakorabea图形设备
如显示器、投影仪等，用于显示图像、视 频等数据。
字符设备
如打印机、扫描仪等，用于数据输入输出。
输入输出方式的实现
1
中断方式
2
当有输入输出任务需要处理时，CPU会
停止当前的操作，并进入服务程序处理
输入输出任务。
3
计算机硬件系统的构架
1
冯诺依曼体系结构
由冯诺依曼于1945年提出，是计算机硬件结构设计的基本原则。
2
哈佛体系结构
指将指令和数据储存在不同的内存中，使得数据和指令可以同时传输。
3
人工智能体系结构
指为了加速特定类型的人工智能计算而设计的硬件和软件。
计算机组成原理第课件
存储容量
指计算机存储器中能够存储的数据量，通常 以字节为单位。
可扩展性
指计算机硬件和软件的可扩展能力，以满足 未来需求。
计算机性能测试
基准测试
通过运行一系列标准化的测试用例，来评估 计算机的性能表现。
压力测试
通过模拟高负载情况下的性能表现，来评估 计算机的稳定性和可靠性。
兼容性测试
测试计算机硬件和软件之间的兼容性，以确 保正常运行。
计算机组成原理课件
目录
• 计算机系统概述 • 硬件组成 • 软件组成 • 指令系统 • 计算机性能评价
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
01
02
03
04
05
机械计算机时代
电子计算机时代
小型化与集成电 路时代
微处理器与个人 计算机时代
互联网与云计算 时代
1940年代以前，使用齿轮 、纸带等机械装置进行计 算。
扩展指令集
在基本指令集的基础上增加扩展指令，提高 处理能力。
寻址方式
立即寻址
操作数直接包含在指令中。
寄存器寻址
操作数存储在寄存器中。
内存寻址
操作数存储在内存单元中，通过地址计算得到。
05
计算机性能评价
计算机性能指标
运算速度
指计算机完成指令操作的速度，通常以每秒 执行多少条指令来衡量。
可靠性
指计算机在规定时间内完成规定任务的能力 ，通常以平均故障时间来衡量。
1940年代初开始，使用真 空管、晶体管等电子元件 进行计算。
1960年代开始，集成电路 使得计算机体积减小，性 能提高。
1970年代开始，微处理器 出现，个人计算机普及。
1990年代开始，互联网的 发展使得计算机不再局限 于单一设备，云计算技术 兴起。
计算机组成原理微程序控制器-电子工业出版社--罗克露35页文档
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。组成原理微程序控制器-电子工 业出版社--罗克露
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
计算机组成原理-输入输出系统-电子工业出社--罗克露
IRQ Q
IRQ DC
TD TM
IRQ INT
低位
并行总线
发送部件
并—串 转换
传送数据 10110101
串行总线
接收 部件
接收部件
串—并 转换
三、接口的功能与分类
1、接口功能主要有4点： 寻址 数据缓冲 数据格式变换、电平转换 控制逻辑
2、接口分类 并行接口与串行接口 同步接口与异步接口 中断接口、DMA接口 等等
3、接口的主要部件组成：
数据缓冲器
设备地址识别线路
设备状态寄存器
主机命令字寄存器
数据格式转换
控制逻辑
0000
0000
7FFF 8000
FFFF
主存地址 空间
I/O 地址空间
例：统一编址方式
4、I/O接口（I/O设备） 的编址方式
主存地址 空间
（1） 统一编址方式 （2） 独立编址方式 FFFF
000 I/O
地址空间
3FF
例： 独立编址方式
一、主机与外设的连接模式
1、总线型 是微型计算机中最常用的系统结构形式，见
下图。
地址锁存器
地址总线
CPU 数据缓冲器
数据总线
总线控制器
控制总线
适
中 DMA 接口
主 断控
存
控 制 器
制 器
I/O 设备
接口 配 器
I/O 设备
外 围
设
备
优点： 结构简单、易于扩展、易于实现。 缺点： 信息吞吐量有限、速度较慢。
二、总线操作时序
1、同步控制方式
总线周期时钟ຫໍສະໝຸດ T1T2T3
T4
地址
读命令
计算机组成原理 CPU的结构和功能PPT学习教案
一个cpu周期一个cpu周期取指令阶段执行指令阶段开始取指令pc1对指令译码执行指令取下条指令pc1第23页共52页算术逻辑单元状态条件寄存器程序记数器pc地址寄存器ar地址总线abus数据总线dbus累加器ac缓冲寄存器drcpualu指令寄存器ir指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈控制执行控制0000202021222324303140claadd30sta40nopjmp21000006000020clacla000021第24页共52页算术逻辑单元状态条件寄存器程序记数器pc地址寄存器ar地址总线abus数据总线dbus累加器ac缓冲寄存器drcpualu指令寄存器ir指令译码器操作控制器时序产生器时钟状态反馈控制执行控制2021222324303140claadd30sta40nopjmp21000006000020clacla000021第25页共52页addadd指令的指令周期指令的指令周期add指令的指令周期由三个cpu周期组成
指令周期
状态条件寄存器
程序记数器PC 000 02451 000000002241
地址寄存器AR
地址总线ABUS
算术逻辑单元
ALU
累加器AC 000 006
取指 控制
操作控制器
时序产生器
执行 控制
时钟
状态 反馈
c
+ 1
c
20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 JMP 21
处理，这是CPU的根本的任务。
第3页/共52页
CPU的功能和组成
CPU的基本组成 中央处理器由两个主要部分——控制器和
运算器组成。
第4页/共52页
CPU的功能和组成
控制器
由程序计数器、指令寄存器、指令译码
指令周期
状态条件寄存器
程序记数器PC 000 02451 000000002241
地址寄存器AR
地址总线ABUS
算术逻辑单元
ALU
累加器AC 000 006
取指 控制
操作控制器
时序产生器
执行 控制
时钟
状态 反馈
c
+ 1
c
20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 JMP 21
处理，这是CPU的根本的任务。
第3页/共52页
CPU的功能和组成
CPU的基本组成 中央处理器由两个主要部分——控制器和
运算器组成。
第4页/共52页
CPU的功能和组成
控制器
由程序计数器、指令寄存器、指令译码