计算机组成与工作原理电子教案第3章(1)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对于顺序执行的情况，PC的内容应不断地增量（加“1”），以控制指令 的顺序执行。这种加“1”的功能，有些机器是程序计数器本身具有的，也有 些机器是借助运算器来实现的。
在遇到需要改变程序执行顺序的情况时，将转移的目标地址送往PC，即 可实现程序的转移。有些情况下除改变PC的内容外，还需要保留改变之前的 内容，以便返回时使用。
⑵ 指令寄存器（IR）
指令寄存器用来存放从存储器中取出的指令。当指令从主存取出暂存于 指令寄存器之后，在执行指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化， 以保证实现指令的全部功能。
⑶ 存储器数据寄存器（MDR） 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 向主存存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。 ⑷ 存储器地址寄存器（MAR） 存储器地址寄存器用来保存当前CPU所访问的主存单元的地址。由于主存和CPU之间存 在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到主存的读写操作 完成为止。 当CPU和主存进行信息交换，无论是CPU向主存存取数据时，还是CPU从主存中读出指 令时，都要使用存储器地址寄存器和数据寄存器。 ⑸ 状态标志寄存器（PSWR） 状态标志寄存器用来存放程序状态字（PSW）。程序状态字的各位表征程序和机器 运行的状态，是参与控制程序执行的重要依据之一。它主要包括两部分内容：一是状态标 志，如进位标志（C）、结果为零标志（Z）等，大多数指令的执行将会影响到这些标志位； 二是控制标志，如中断标志、陷阱标志等。状态标志寄存器的位数往往等于机器字长，各 类机器的状态标志寄存器的位数和设置位置不尽相同。
中等职业学校教学用书（计算机技术专业）
《计算机组成与工作原理 》 电子教案
主 编 刘晓川
第3章 计算机硬件工作原理
3.1 中央处理器 3.2 存储器 3.3 总线系统
3.1 中央处理器
3.1.1 CPU的组成结构与功能
(一) CPU的功能 用计算机解决某个问题时，首先必须为它编写程序。程序是由指令构 成的序列，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，CPU就可以自动完成取出指 令和执行指令的任务。 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： 1．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。
⑵ 执行所有的逻辑运算，并可进行逻辑测试，如零值测试或两个值的 比较等。
2．控制器的主要功能有： 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： 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 对指令进行译码或测试，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的数据流动方向。
2．指令控制
程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个由指令构成的 序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进 行，因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。
3．时间控制
对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。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。只有这样，计算机才能有条不紊地自动 工作。
4．数据加工
数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加 工处理，是CPU的根本任务。因为，原始信息只有经过加工处理后才能对 人们有用。
(二) CPU的组成结构
在前面介绍的内容中我们知 CPU 道 CPU 主 要 由 运 算 器 和 控 制 器 组成。但随着计算机硬件技术 的发展，特别是集成电路技术 的应用，以及人们对计算机运 算速度的更高要求，一些在传 统 意 义 的 计 算 机 中 属 于 CPU 外 部的逻辑功能部件纷纷移入到 +1 了 CPU 中 ， 比 如 浮 点 运 算 单 元 、 高速缓冲存储器等。这样， CPU 就 由 运 算 器 （ 包 括 定 点 与 浮点运算单元）、控制器以及 Cache三大部分组成。下面先给 出 CPU 的 简 单 模 型 ， 然 后 再 分 块详细介绍。
累加寄存器Acc也是一个通用寄存器，它用来暂时存放ALU运算的结 果信息。例如，在执行一个加法运算前，先将一个操作数暂时存放在Acc 中，再从主存中取出另一操作数，然后同Acc的内容相加，所得的结果送 回Acc中。运算器中至少要有一个累加寄存器。
2．ห้องสมุดไป่ตู้用寄存器
⑴ 程序计数器（PC）
程序计数器又称指令计数器，用来存放正在执行的指令地址或接着要执 行的下条指令地址。
(三) CPU中的主要寄存器 CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终 结果以及控制、状态信息的，它可以分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
1．通用寄存器
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址 寄存器、计数器、地址指针等。现代计算机中为了减少访问存储器的次数， 提高运算速度，往往在CPU中设置大量的通用寄存器，少则几个，多则几 十个，甚至上百个。
1．运算器的主要功能有：
运算器由算术逻辑运算单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和 程序状态寄存器组成，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。运算器有两个主要功能：
⑴ 执行所有的算术运算；
PSWR
PC
MAR
主 存 I/O
ALU Acc
…
控制信号 CU ID IR MDR
图3-1 CPU的简单模型
在图3-1中缩写字母代表的含义：
ALU表示算术逻辑运算单元 Acc表示累加寄存器
CU表示控制单元
PSWR表示程序状态字寄存器
IR表示指令寄存器
PC表示程序记数器
MDR表示存储器数据寄存器 MAR表示存储器地址寄存器
在遇到需要改变程序执行顺序的情况时，将转移的目标地址送往PC，即 可实现程序的转移。有些情况下除改变PC的内容外，还需要保留改变之前的 内容，以便返回时使用。
⑵ 指令寄存器（IR）
指令寄存器用来存放从存储器中取出的指令。当指令从主存取出暂存于 指令寄存器之后，在执行指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化， 以保证实现指令的全部功能。
⑶ 存储器数据寄存器（MDR） 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 向主存存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。 ⑷ 存储器地址寄存器（MAR） 存储器地址寄存器用来保存当前CPU所访问的主存单元的地址。由于主存和CPU之间存 在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到主存的读写操作 完成为止。 当CPU和主存进行信息交换，无论是CPU向主存存取数据时，还是CPU从主存中读出指 令时，都要使用存储器地址寄存器和数据寄存器。 ⑸ 状态标志寄存器（PSWR） 状态标志寄存器用来存放程序状态字（PSW）。程序状态字的各位表征程序和机器 运行的状态，是参与控制程序执行的重要依据之一。它主要包括两部分内容：一是状态标 志，如进位标志（C）、结果为零标志（Z）等，大多数指令的执行将会影响到这些标志位； 二是控制标志，如中断标志、陷阱标志等。状态标志寄存器的位数往往等于机器字长，各 类机器的状态标志寄存器的位数和设置位置不尽相同。
中等职业学校教学用书（计算机技术专业）
《计算机组成与工作原理 》 电子教案
主 编 刘晓川
第3章 计算机硬件工作原理
3.1 中央处理器 3.2 存储器 3.3 总线系统
3.1 中央处理器
3.1.1 CPU的组成结构与功能
(一) CPU的功能 用计算机解决某个问题时，首先必须为它编写程序。程序是由指令构 成的序列，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，CPU就可以自动完成取出指 令和执行指令的任务。 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： 1．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。
⑵ 执行所有的逻辑运算，并可进行逻辑测试，如零值测试或两个值的 比较等。
2．控制器的主要功能有： 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： 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 对指令进行译码或测试，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的数据流动方向。
2．指令控制
程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个由指令构成的 序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进 行，因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。
3．时间控制
对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。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。只有这样，计算机才能有条不紊地自动 工作。
4．数据加工
数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加 工处理，是CPU的根本任务。因为，原始信息只有经过加工处理后才能对 人们有用。
(二) CPU的组成结构
在前面介绍的内容中我们知 CPU 道 CPU 主 要 由 运 算 器 和 控 制 器 组成。但随着计算机硬件技术 的发展，特别是集成电路技术 的应用，以及人们对计算机运 算速度的更高要求，一些在传 统 意 义 的 计 算 机 中 属 于 CPU 外 部的逻辑功能部件纷纷移入到 +1 了 CPU 中 ， 比 如 浮 点 运 算 单 元 、 高速缓冲存储器等。这样， CPU 就 由 运 算 器 （ 包 括 定 点 与 浮点运算单元）、控制器以及 Cache三大部分组成。下面先给 出 CPU 的 简 单 模 型 ， 然 后 再 分 块详细介绍。
累加寄存器Acc也是一个通用寄存器，它用来暂时存放ALU运算的结 果信息。例如，在执行一个加法运算前，先将一个操作数暂时存放在Acc 中，再从主存中取出另一操作数，然后同Acc的内容相加，所得的结果送 回Acc中。运算器中至少要有一个累加寄存器。
2．ห้องสมุดไป่ตู้用寄存器
⑴ 程序计数器（PC）
程序计数器又称指令计数器，用来存放正在执行的指令地址或接着要执 行的下条指令地址。
(三) CPU中的主要寄存器 CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终 结果以及控制、状态信息的，它可以分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
1．通用寄存器
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址 寄存器、计数器、地址指针等。现代计算机中为了减少访问存储器的次数， 提高运算速度，往往在CPU中设置大量的通用寄存器，少则几个，多则几 十个，甚至上百个。
1．运算器的主要功能有：
运算器由算术逻辑运算单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和 程序状态寄存器组成，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。运算器有两个主要功能：
⑴ 执行所有的算术运算；
PSWR
PC
MAR
主 存 I/O
ALU Acc
…
控制信号 CU ID IR MDR
图3-1 CPU的简单模型
在图3-1中缩写字母代表的含义：
ALU表示算术逻辑运算单元 Acc表示累加寄存器
CU表示控制单元
PSWR表示程序状态字寄存器
IR表示指令寄存器
PC表示程序记数器
MDR表示存储器数据寄存器 MAR表示存储器地址寄存器