1、1、第3章，計(jì)算機(jī)硬件的工作原理，2、目錄，3.1中央處理器，3.2內(nèi)存，3.3總線(xiàn)系統(tǒng)，3.1.1中央處理器，3.1.1中央處理器的組成、結(jié)構(gòu)和功能(一)中央處理器的功能，中央處理器有以下四個(gè)基本功能：1。操作控制中央處理器管理并產(chǎn)生從存儲(chǔ)器中取出的每個(gè)指令的操作信號(hào)，并將各種操作信號(hào)發(fā)送給相應(yīng)的部件，從而控制這些部件遵循指令。指令控制程序的順序控制稱(chēng)為指令控制。3時(shí)間控制為各種操作實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的定時(shí)，這稱(chēng)為時(shí)間控制。4數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。5，(2)中央處理器的結(jié)構(gòu)，圖3-1中央處理器的簡(jiǎn)單模型，6，在圖3-1中由縮寫(xiě)表示的含義：ALU表示算術(shù)邏輯單元Acc，累加寄存器

2、CU，控制單元PSWR，程序狀態(tài)字寄存器IR，程序計(jì)數(shù)器MDR，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器MAR，存儲(chǔ)器地址寄存器7，2控制器的主要功能是：從主存儲(chǔ)器中取出一條指令并指出下一條解碼或測(cè)試指令，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)以開(kāi)始指定的動(dòng)作。命令和控制中央處理器、主存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流方向。(3)中央處理器中的主寄存器用于臨時(shí)存儲(chǔ)操作和控制過(guò)程中的中間結(jié)果和最終結(jié)果以及控制和狀態(tài)信息。1通用寄存器通用寄存器可用于存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果，有些還可用作索引寄存器、計(jì)數(shù)器、地址指針等。累加寄存器Acc也是一個(gè)通用寄存器，用于臨時(shí)存儲(chǔ)ALU運(yùn)算的結(jié)果信息。9，2特殊寄存器程序計(jì)數(shù)器(PC)程序計(jì)數(shù)器，也稱(chēng)

3、為指令計(jì)數(shù)器，用于存儲(chǔ)正在執(zhí)行的指令或下一個(gè)要執(zhí)行的指令的地址。指令寄存器指令寄存器用于存儲(chǔ)從內(nèi)存中提取的指令。在指令從主訪(fǎng)問(wèn)暫時(shí)存儲(chǔ)在指令寄存器中之后，指令寄存器的內(nèi)容在指令執(zhí)行期間不允許改變。10、內(nèi)存數(shù)據(jù)寄存器(MDR)、內(nèi)存地址寄存器(MAR)、pswr、11、3.1.2中央處理器指令系統(tǒng)，(1)指令系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)指令是機(jī)器指令的簡(jiǎn)稱(chēng)，是計(jì)算機(jī)硬件能夠識(shí)別和執(zhí)行的操作命令，并以二進(jìn)制編碼形式表示。從表面上看，指令和數(shù)據(jù)(在計(jì)算機(jī)中也以二進(jìn)制代碼的形式表示)沒(méi)有區(qū)別，但是指令的二進(jìn)制代碼和數(shù)據(jù)的二進(jìn)制代碼具有根本不同的含義。每條指令指示計(jì)算機(jī)硬件完成指定的基本操作。任何一種計(jì)算機(jī)的基本指

4、令數(shù)量都是固定的，但是它們所編寫(xiě)的程序是無(wú)限的。指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的所有指令的集合。計(jì)算機(jī)的性能與其指令系統(tǒng)密切相關(guān)，而指令系統(tǒng)又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。一個(gè)完善的教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具備以下特征：1完整性2有效性3規(guī)律性包括教學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)、一致、一致的教學(xué)格式和數(shù)據(jù)格式。4兼容性兼容性兼容性主要指程序的可移植性。至少，它應(yīng)該是“向上兼容的”，也就是說(shuō)，運(yùn)行在低端機(jī)器上的軟件可以運(yùn)行在高端機(jī)器上。一般來(lái)說(shuō)，指令包括兩部分：操作碼和地址碼。說(shuō)明書(shū)還應(yīng)包含以下信息：操作代碼。操作數(shù)的存儲(chǔ)地址。操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址。下一條指令的存儲(chǔ)地址。(2)指令的格式，15。通常，一條指令包括一個(gè)操作碼字段和幾個(gè)地址

5、碼字段。有些地址信息可以在指令中清楚地給出，這叫做顯式地址；根據(jù)某種事先約定，它也可以以隱式方式給出，這被稱(chēng)為隱式地址。根據(jù)指令中顯式地址的數(shù)量，16，1地址碼結(jié)構(gòu)可分為以下指令格式：四地址指令OP:操作碼；A1:用于存儲(chǔ)第一操作數(shù)的第一地址代碼；A2:用于存儲(chǔ)第二操作數(shù)的第二地址代碼；A3:用于存儲(chǔ)操作結(jié)果的第三地址碼；A4:第四個(gè)地址碼，存儲(chǔ)下一條要執(zhí)行的指令。17.三地址指令。三地址指令中的所有含義與四地址指令中的含義相同。由于指令計(jì)數(shù)器(也稱(chēng)為程序計(jì)數(shù)器，縮寫(xiě)為PC)，A4地址被省略。對(duì)于用三個(gè)地址指令編寫(xiě)的程序，這些指令必須存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以便由程序計(jì)數(shù)器的自動(dòng)增量按順序執(zhí)行。如果程

6、序要轉(zhuǎn)向，程序的執(zhí)行順序必須隨分支指令而改變。18，雙地址指令OP:操作碼；A1:它同時(shí)作為第一個(gè)操作數(shù)地址和目的地址；A2:第二個(gè)操作數(shù)地址。19，地址指令中只給出一個(gè)操作數(shù)地址，而另一個(gè)操作數(shù)地址和目標(biāo)地址是隱式的。該隱式地址是算術(shù)單元的累加器寄存器Acc。沒(méi)有操作數(shù)地址的零地址指令稱(chēng)為零地址指令。當(dāng)執(zhí)行零地址指令時(shí)，操作數(shù)地址都是隱含的，指令格式只解釋要做什么操作。如停止指令是零地址指令。21，2操作碼編碼操作碼表示指令應(yīng)該執(zhí)行哪種操作。構(gòu)成操作碼字段的位數(shù)通常取決于計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的大小，也就是說(shuō)，操作碼占用的二進(jìn)制位越多，計(jì)算機(jī)可以允許的指令就越多。操作碼字段有兩種編碼方案：第一種采用

7、固定長(zhǎng)度的操作碼，即操作碼的長(zhǎng)度是固定的；第二種類(lèi)型采用可變長(zhǎng)度的操作碼，并且各種指令的操作碼的位數(shù)是不同的，也就是說(shuō)，操作碼的長(zhǎng)度是可變的，并且分散在指令的不同字段中。例如，下面的圖3-2是擴(kuò)展操作碼的示意圖。圖3-2是擴(kuò)展操作碼的示意圖。23.應(yīng)該注意的是，擴(kuò)展方法不是唯一的。由于有多種擴(kuò)展方法，所以選擇哪種方法是一個(gè)重要的原則：使用頻率高的指令應(yīng)該分配較短的操作碼，而使用頻率低的指令應(yīng)該分配較長(zhǎng)的操作碼。尋址意味著找到操作數(shù)的地址或要執(zhí)行的下一條指令的地址。指令尋址相對(duì)簡(jiǎn)單，可以細(xì)分為順序?qū)ぶ泛吞D(zhuǎn)尋址。順序?qū)ぶ房梢宰詣?dòng)形成下一條指令的地址，方法是在程序計(jì)數(shù)器上加上“1”；跳轉(zhuǎn)尋址是指程

8、序執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令，需要通過(guò)程序轉(zhuǎn)移指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。在大多數(shù)計(jì)算機(jī)中，地址碼的位數(shù)受指令長(zhǎng)度的限制，不會(huì)太長(zhǎng)，但主存的容量相對(duì)較大，導(dǎo)致指令無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)主存的所有空間。如果為了擴(kuò)大內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)范圍而設(shè)置更長(zhǎng)的地址碼，會(huì)導(dǎo)致指令過(guò)長(zhǎng)和程序設(shè)計(jì)靈活性差的問(wèn)題。在這種情況下，尋址技術(shù)被廣泛使用，即地址碼中給出的地址不是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器中的實(shí)際地址，這被稱(chēng)為正式地址。正式地址需要一些操作來(lái)獲得可以直接訪(fǎng)問(wèn)主存儲(chǔ)器的地址，這被稱(chēng)為有效地址(通常由字母EA表示)。從正式地址生成有效地址的各種方法稱(chēng)為尋址方式，即尋址方式正式地址有效地址。以下是計(jì)算機(jī)中常用的一些基本尋址方式。1立即尋址指令中的操作數(shù)地址不是通常意義上的操

9、作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身，也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)包含在指令中，只要提取了指令，就提取了可以立即使用的操作數(shù)。27，2寄存器尋址寄存器尋址指令的地址碼部分給出通用寄存器的編號(hào)，該指定寄存器存儲(chǔ)操作數(shù)。操作數(shù)s和寄存器Ri之間的關(guān)系是：s=(ri)，28，3直接尋址指令中地址碼字段給出的地址a是操作數(shù)的有效地址，即形式地址等于有效地址：操作數(shù)S=(A)，29，4間接尋址意味著指令中給定的地址不是操作數(shù)的地址；但另一個(gè)地址的地址，間接尋址模式可分為寄存器間接尋址模式和存儲(chǔ)器間接尋址模式。寄存器間接尋址模式操作數(shù)S=(R)、30和存儲(chǔ)器間接尋址模式操作數(shù)S=(A0)、31、5。索引尋址模式將索引寄存器Rx的內(nèi)

10、容與指令中給定的形式地址A相加，形成操作數(shù)有效地址，即EA=(RX) A.Rx內(nèi)容稱(chēng)為索引值。正式地址是參考地址，索引寄存器提供偏移量6(基址)和偏移量7(相對(duì)地址)。32、(4)指令類(lèi)型。計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)通常有數(shù)百條指令。從它們完成的功能來(lái)看，一個(gè)相對(duì)完整的指令系統(tǒng)應(yīng)該有以下幾種指令：1 .數(shù)據(jù)傳輸指令。這些指令的功能是實(shí)現(xiàn)寄存器、寄存器和存儲(chǔ)單元以及存儲(chǔ)單元和存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。2算術(shù)運(yùn)算指令這些指令包括二進(jìn)制定點(diǎn)加法、減法、乘法和除法指令、浮點(diǎn)加法、減法、乘法和除法指令、求反和求補(bǔ)指令、算術(shù)移位指令、算術(shù)比較指令、十進(jìn)制加法和減法指令等。33，3邏輯運(yùn)算指令這類(lèi)指令包括邏輯加法、邏輯

11、乘法、邏輯比較、測(cè)量等指令、逐位加法、邏輯移位等指令。4程序控制指令程序控制指令也稱(chēng)為傳輸指令。當(dāng)執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，有時(shí)當(dāng)機(jī)器執(zhí)行一個(gè)指令時(shí)，會(huì)有幾種不同的結(jié)果。此時(shí)，機(jī)器必須執(zhí)行一個(gè)轉(zhuǎn)移指令，并根據(jù)不同的結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而改變程序的原始執(zhí)行順序。5輸入輸出命令輸入輸出命令主要用于啟動(dòng)外圍設(shè)備，檢查和測(cè)試外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備與中央處理器之間或外圍設(shè)備之間的信息傳輸。字符串處理指令字符串處理指令是非數(shù)字處理指令，通常包括字符串傳輸、字符串轉(zhuǎn)換(將一個(gè)編碼字符串轉(zhuǎn)換為另一個(gè)編碼字符串)、字符串替換(用另一個(gè)字符串替換一個(gè)字符串)等。特權(quán)指令特權(quán)指令是指具有特殊權(quán)限的指令。此類(lèi)指令僅用于操

12、作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，通常不直接提供給用戶(hù)。除了上述指令之外，還有狀態(tài)寄存器設(shè)置、復(fù)位指令、測(cè)試指令、暫停指令、無(wú)操作指令以及其他用于系統(tǒng)控制的特殊指令。35、3.1.3中央處理器的控制功能和原理，控制器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指揮中心，它將運(yùn)算單元、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備等部件集成為一體，然后根據(jù)指令的要求指揮整個(gè)機(jī)器的工作。(1)控制器的基本組成1指令組件的主要任務(wù)是獲取和分析指令。指令部分包括：程序計(jì)數(shù)器指令寄存器指令譯碼器地址形成部分，36、2個(gè)時(shí)序部分能產(chǎn)生一定的時(shí)序信號(hào)，保證機(jī)器各功能部分能有節(jié)奏地進(jìn)行信息傳輸、處理和信息存儲(chǔ)。包括脈沖源起止控制邏輯拍信號(hào)發(fā)生器，37和3微操作信號(hào)發(fā)生器。指

13、令的獲取和執(zhí)行可以分解成許多基本操作，這些操作稱(chēng)為微操作。微操作信號(hào)發(fā)生器也稱(chēng)為控制單元。不同的機(jī)器指令有不同的微操作順序。4中斷控制邏輯中斷控制邏輯是用于控制中斷處理的硬件邏輯。38，1指令周期和機(jī)器周期指令周期是指從指令提取和分析提取到指令執(zhí)行所需的總時(shí)間。不同指令的指令周期不同。機(jī)器周期也稱(chēng)為中央處理器周期。通常，一個(gè)指令周期被分成幾個(gè)機(jī)器周期，每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。通用機(jī)器的中央處理器周期包括提取周期、提取周期、執(zhí)行周期、中斷周期等。(2)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)39.2拍，完成幾個(gè)微操作。因此，機(jī)器周期應(yīng)該是di節(jié)拍的寬度取決于中央處理器完成微操作的時(shí)間。選擇節(jié)拍有幾種方法

14、：統(tǒng)一節(jié)拍法根據(jù)最復(fù)雜的機(jī)器周期確定節(jié)拍數(shù)，每個(gè)節(jié)拍時(shí)間的長(zhǎng)度也根據(jù)最復(fù)雜的微操作確定。這種方法采用等時(shí)間間隔、等數(shù)量的均勻節(jié)拍，使所有機(jī)器周期長(zhǎng)度相等，因此稱(chēng)為定長(zhǎng)CPU周期。40，分布式節(jié)拍法根據(jù)機(jī)器周期的實(shí)際需要安排節(jié)拍數(shù)，并根據(jù)需要發(fā)出任意多的節(jié)拍，避免浪費(fèi)，提高時(shí)間的利用率。因?yàn)槊颗_(tái)機(jī)器的周期長(zhǎng)度不同，所以稱(chēng)之為無(wú)限CPU周期。擴(kuò)展節(jié)拍法考慮了大多數(shù)機(jī)器周期要求，并選擇適當(dāng)?shù)墓?jié)拍數(shù)作為基本節(jié)拍。如果某個(gè)機(jī)器循環(huán)中的統(tǒng)一節(jié)拍數(shù)不能完成該循環(huán)中的所有微操作，則可以延長(zhǎng)一個(gè)或兩個(gè)節(jié)拍。時(shí)鐘周期插入，在節(jié)拍中由41和3個(gè)工作脈沖執(zhí)行的一些微操作需要同步定時(shí)脈沖，例如將穩(wěn)定的操作結(jié)果驅(qū)動(dòng)到寄存

15、器中，以及切換機(jī)器周期狀態(tài)。因此，一個(gè)或幾個(gè)工作脈沖通常被設(shè)置在一個(gè)節(jié)拍中作為各種同步脈沖的源。在只有機(jī)器周期和時(shí)鐘周期的微型計(jì)算機(jī)中，通常不再設(shè)置工作脈沖，因?yàn)闀r(shí)鐘周期既可以用作電位信號(hào)，也可以用作脈沖觸發(fā)信號(hào)的前后沿。多級(jí)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，圖3-4三級(jí)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，43。(3)定時(shí)控制模式，1同步控制模式同步控制模式是固定定時(shí)控制模式，所有操作由統(tǒng)一的定時(shí)信號(hào)控制，并且在每個(gè)機(jī)器周期中產(chǎn)生統(tǒng)一數(shù)量的拍電位和工作脈沖。由于指令不同，操作時(shí)間不一致。同步控制模式應(yīng)以最復(fù)雜指令的運(yùn)行時(shí)間為統(tǒng)一的時(shí)間間隔標(biāo)準(zhǔn)。在同步控制模式下，每個(gè)指令所需的時(shí)序由控制器統(tǒng)一發(fā)送，所有微操作都與時(shí)鐘同步，因此也稱(chēng)為集中控制模式

16、或中央控制模式。異步控制模式異步控制模式是可變定時(shí)控制模式。所有操作不是由統(tǒng)一的定時(shí)信號(hào)控制的，而是根據(jù)指令或組件的具體情況占用盡可能多的時(shí)間。異步控制使用不同的時(shí)間順序，沒(méi)有浪費(fèi)時(shí)間，因此提高了機(jī)器的效率，但控制更復(fù)雜。由于在這種控制模式下沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)鐘，而是每個(gè)功能單元產(chǎn)生自己的定時(shí)信號(hào)進(jìn)行自我控制，所以也稱(chēng)為分散控制模式或局部控制模式。45，3聯(lián)合控制模式這是同步控制和異步控制的結(jié)合。事實(shí)上，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)幾乎不采用同步或異步控制模式，而且大多數(shù)都采用聯(lián)合控制模式。通常的設(shè)計(jì)思想是在功能組件內(nèi)部采用同步模式或主要基于同步模式的控制模式，在功能組件之間采用異步模式。46，(4)指令運(yùn)行的基本過(guò)

17、程。在指令提取階段，程序計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容被發(fā)送到存儲(chǔ)器地址寄存器，并被發(fā)送到地址總線(xiàn)。讀取命令由控制單元通過(guò)控制總線(xiàn)發(fā)送到存儲(chǔ)器。從主存儲(chǔ)器提取的指令通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)發(fā)送到存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器。將MDR的內(nèi)容發(fā)送到指令寄存器。增加電腦內(nèi)容，為下一條指令做準(zhǔn)備。47，圖3-5提取周期的工作流程，48，2在提取階段提取指令后，指令解碼器標(biāo)識(shí)可以識(shí)別和區(qū)分不同的指令類(lèi)型。此時(shí)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入分析和檢索階段以獲取操作數(shù)。3.執(zhí)行階段執(zhí)行階段完成指令中指定的各種操作，形成穩(wěn)定的操作結(jié)果，并存儲(chǔ)它們。在執(zhí)行階段完成任務(wù)的時(shí)間稱(chēng)為執(zhí)行周期。控制器的硬件實(shí)現(xiàn)控制器的核心是微操作信號(hào)發(fā)生器(控制單元CU)。微操作控制信號(hào)是通過(guò)組合由指令部件提供的解碼信號(hào)、由定時(shí)部件提供的定時(shí)信號(hào)和由受控功能部件反饋的狀態(tài)和條件而形成的?？刂茊卧妮斎氚ǘ〞r(shí)信號(hào)、機(jī)器指令操作碼和各種部件的狀態(tài)反饋信號(hào)