3、电子计算机的工作原理ppt课件

1、第三章第三章 电子计算机的任电子计算机的任务原理务原理 3.1 电子计算机的构造特点电子计算机的构造特点 一、冯一、冯.诺伊曼体系构造诺伊曼体系构造 n由运算器、存储器、控制器和I/O设备组成；n指令和数据以同等位置存放在存储器中，按地址寻访；n指令和数据均以二进制表示； n指令由操作码和数据组成；n指令在存储器中顺序存放，顺序执行，特定情况下根据条件改动执行的顺序；n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经过运算器完成。 冯冯.诺伊曼体系构造的特点诺伊曼体系构造的特点二、中央处置器二、中央处置器(CPU)的组成的组成1、运算器：运算器由算术逻辑部件、运算器：运算器由算术逻辑

2、部件(ALU)和和一些存放器组成，是直接进展数据交换一些存放器组成，是直接进展数据交换和运算的部件；和运算的部件；2、控制单元：控制单元用来指挥和控制程序、控制单元：控制单元用来指挥和控制程序和数据的输入、运转和处置；和数据的输入、运转和处置；3、存放器：、存放器： 包括存放器组，累加器包括存放器组，累加器(ACC)，标志存放器标志存放器(FR)，程序计数器，程序计数器(PC)，指，指令存放器令存放器(IR)，地址存放器，地址存放器(AR)，数据缓，数据缓冲存放器冲存放器(DR)；三、冯三、冯.诺伊曼构造的演化诺伊曼构造的演化1、控制部件设计的多样化、控制部件设计的多样化 逻辑电路设计实现；逻

3、辑电路设计实现；微程序设计实现。微程序设计实现。 2、采用总线构造、采用总线构造分散衔接的方式使得输入输出设备无法变动分散衔接的方式使得输入输出设备无法变动早期交换数据必需经过运算器早期交换数据必需经过运算器利用三态缓冲器使得总线上的设备或器件分利用三态缓冲器使得总线上的设备或器件分时任务时任务计算机的系统总线构造总线：是衔接各部件的一组公共信号线，传送信号和代码的公共通道。 系统总线的分类：数据总线：用来传输各功能部件之间的数据信息，是双向传输总线，位数与机器字长有关；地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存中的地址，是单向传输总线，地址总线的个数与存储器单元的数量有关，称为寻址

4、才干； 控制总线：用来发出各种控制信号的传输线，每一根控制总线是单向的。 3、以存储器为中心 现代计算机曾经从以运算器为中心转化为以存储器为中心；程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组存储单元中二进制代码的组合合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的存储单元中二进制代码的位数位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存

5、储单元 存储元件存储元件0/10/1 房间房间 床位床位无人无人/ / 有人有人 存储器的根本组成主存储器主存储器存储体存储体MARMARMDRMDRMARMARMDRMDR 存储单元个数存储单元个数 1616存储字长存储字长 8 8 设设 MAR = 4 MAR = 4 位位 MDR = 8 MDR = 8 位位存储器地址存放器存储器地址存放器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据存放器存储器数据存放器反映存储字长反映存储字长 存储器的根本组成主存储器主存储器存储体存储体MARMARMDRMDRn存储器用来存放数据和程序；n主存储器可以分为随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)；

6、nCPU每一次只能对存储器中的一个存储单元进展读操作或写操作。4、输入/输出系统功能的加强 DMA、中断技术3.2 指令系统一、指令系统的根本概念一、指令系统的根本概念机器指令：命令机器做某种操作的一条语句机器指令：命令机器做某种操作的一条语句称为一个机器指令；称为一个机器指令；指令系统：全部机器指令的集合称为指令系指令系统：全部机器指令的集合称为指令系统。统。指令系统是软硬件的主要界面，不同处置器指令系统是软硬件的主要界面，不同处置器对应不同的指令系统对应不同的指令系统 二、指令格式二、指令格式o操作码：是一条指令的操作类型或作用；o操作数：代表需求处置的数，或参与操作数的地址。操作数的个数

7、可以是0、1、2、3个o指令字长：指令中包含二进制代码的位数。o单字长指令：指令字长与机器字长相等；o双字长指令：指令字长度是机器字长度两倍；o机器字长：计算机能直接处置的二进制数据的位数三、指令编码系统实例三、指令编码系统实例操作码意义 助记符 00H加，A + NUMA ADD A, NUM(数字) 01H减，A NUMA SUB A, (ADDR) 02H乘，A * ADDR存储单元中的数据A MUL A, (ADDR) 03H除，A / ADDR存储单元中的数据A DIV A, (ADDR) 04H逻辑与，A and NUMA AND A, NUM 05H取数，将一个数取到A中 LD

8、A，NUM 06H存数，将A中的数保存到ADDR存储单元中 MOV (ADDR), A 07H停机 STOP 3.3 中央处置器(CPU)一、一、CPU的根本构造的根本构造 二、二、CPU的根本操作的根本操作三、三、CPU的控制器和机器时钟的控制器和机器时钟一、CPU的根本构造 1、数的存储：存放器、锁存器、存储器 2、累加器ACC：运算之前保管一个操作数，运算之后保管运算结果，CPU中可以有一个或多个累加器； 3、通用存放器组：可以用来保管数据，也可以参与计算，存取速度非常快，但普通数量不多； 4、标志存放器：用来记录CPU当前运转的一些形状，如加减法的进位，溢出，计算结果的正负，运算结果能

9、否为0等等；5、程序计数器PC：存放下一条要执行的指令的地址码； 6、地址存放器AR：与地址总线相连，给出操作内存单元的地址； 7、指令存放器IR：保管取出的指令码； 8、数据缓冲存放器DR：与数据总线相连，保管要写入内存的数据或从内存中读出的数据；9、指令译码器：解释指令码的意义。二、CPU的根本操作1、取指令2、读数据3、写数据o取指令o1、PC地址地址存放器地址总线o2、控制单元读信号 o3、数据总线数据缓冲存放器指令存放器译码器操作单元o4、PC地址+1 o读数据o1、地址码地址存放器地址总线 o2、CU读信号 o3、数据总线数据缓冲存放器ACCo写数据o1、地址码地址存放器地址总线

10、o2、ACC数据缓冲存放器数据总线o3、CU写信号 三、CPU的控制器和机器时钟o控制器：在时钟节拍下，按照每一条指令对应的各个根本操作发出相应控制信号，驱动各功能部件有序任务完成规定的操作内容。o时序：正确执行一条指令时，为该条指令中的每个微操作所安排的时间表称为时序。o时钟周期：一个时钟信号的周期称为时钟周期； o机器周期：CPU完成一个根本操作所需求的时间称为机器周期； o指令周期：CPU完成一条指令所需求的时间称为指令周期。(一)、CPU控制部件的设计方法 n数字逻辑设计方法n 将指令系统中每条指令对应的同一种微操作归纳综n合，思索执行这一微操作的一切电路要求和时钟要求，n用数字逻辑电

11、路加以实现。n组成：门电路、存放器。n微程序设计方法 n 将由硬件电路设计方法构成的指令操作步骤改用微程序来控制。1、数字逻辑设计方法 数字逻辑电路设计方法的微控制电路图：数字逻辑方法的设计步骤数字逻辑方法的设计步骤o分解指令为假设干个微操作；o将各微操作对应到指令周期的不同时钟中去；o采用普通的逻辑电路设计方法，设计出操作控制线路；o每个控制线路的输出是一个微操作控制信号，用来实现对机器的控制。数字逻辑设计方法的缺陷数字逻辑设计方法的缺陷o设计过程复杂，各条指令之间的微操作有许多是一样的；oCPU一经设计好，很难改动功能。 2、微程序设计方法微程序控制器的构造框图微程序设计方法的优点微程序设

12、计方法的优点o设计过程相对简单，相当于把硬件设计的一部分转化为软件设计； o改动CPU的功能非常方便，只需修正控制存储器中的微程序即可。 3.4 计算机的任务过程计算机的任务过程主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程123567891)1)以取数指令为例以取数指令为例4CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O123567982)2)以存数指令为例以存数指令为例4CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O取取x x 至运算器中至运

13、算器中乘以乘以x x 在运算器中在运算器中乘以乘以a a 在运算器中在运算器中存存ax2 ax2 在存储器中在存储器中取取b b 至运算器中至运算器中乘以乘以x x 在运算器中在运算器中加加ax2 ax2 在运算器中在运算器中加加c c 在运算器中在运算器中= (ax + b)x + c = (ax + b)x + c 取取x x 至运算器中至运算器中乘以乘以a a 在运算器中在运算器中加加b b 在运算器中在运算器中乘以乘以x x 在运算器中在运算器中加加c c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2 + bx + c3)编程举例编程举例4) ax2 + bx + c 程序的运转过程程序的运转

14、过程 将程序经过输入设备送至计算机将程序经过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机停机 启动程序运转启动程序运转,(PC )+ 1 PC,(PC )+ 1 PC 执行指令执行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC3.5、流水线技术、流水线技术1、流水线的根本概念、流水线的根本概念流水线的思想：每条指令的执行都可以分为流水线的思想：每条指令的执行都可以分为假设干个步骤。早期的假设干个步骤。早期的CPU指令是串行执指令是串

15、行执行的，现代的行的，现代的CPU是将这些步骤重叠执行。是将这些步骤重叠执行。 o无流水线无流水线CPU的执行过程的执行过程o3级流水线级流水线CPU的执行过程的执行过程n流水线：是指把一个反复的处置过程分解成流水线：是指把一个反复的处置过程分解成假设干个子处置过程，每个子过程可以与其假设干个子处置过程，每个子过程可以与其它的子过程同时进展处置。它的子过程同时进展处置。n8086CPU的流水线构造：的流水线构造： n7级流水构造：现代的微处置器普通采用级流水构造：现代的微处置器普通采用7级级流水线流水线 2、流水线的种类：、流水线的种类：指令流水线指令流水线指令分解，各步操作重叠，典型的执行过

16、指令分解，各步操作重叠，典型的执行过程如程如7步流水步流水数据流水线数据流水线又称运算流水：运算步骤分解，如浮点加又称运算流水：运算步骤分解，如浮点加法：对阶法：对阶尾数加尾数加规格化规格化3、流水线的问题、流水线的问题 相关：流水线中指令之间由于某种关联使相关：流水线中指令之间由于某种关联使流水线停顿的景象。流水线停顿的景象。控制相关控制相关 部件相关部件相关 数据相关数据相关 流水线的问题流水线的问题a)控制相关控制相关缘由：转移指令引起的相关，需求等待转移的条件；缘由：转移指令引起的相关，需求等待转移的条件；转移指令的频度约占转移指令的频度约占 指令总数的指令总数的20%。措施：措施：1

17、延迟转移法：推迟执行转移假设无影响的延迟转移法：推迟执行转移假设无影响的 条件下，依赖于编译程序；条件下，依赖于编译程序；2转移预测法：发生转移时直接预测一个能够性大转移预测法：发生转移时直接预测一个能够性大 的分支，继续预取指令。需求两个的分支，继续预取指令。需求两个 预取指令队列，高性能计算机中运预取指令队列，高性能计算机中运用。用。b)部件相关部件相关 缘由：争用同一个部件，如存储器；缘由：争用同一个部件，如存储器； 措施：停一拍措施：停一拍c)数据相关数据相关缘由缘由:后一条指令要用到前一条指令计算后的后一条指令要用到前一条指令计算后的 数据，如访问同一个存放器或者内存单数据，如访问同

18、一个存放器或者内存单元元措施：设置比较电路，检查前后两个地址能措施：设置比较电路，检查前后两个地址能否一样否一样流水线的问题流水线的问题3.6、RISC技术oCISC，复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer)； oRISC，简化指令系统计算机(Reduced Instruction Set Computer)。 oCISC和RISC计算机的特点oCISC系统的问题：对复杂指令系统的解释和设计导致CPU构造复杂，流水线技术不容易实现，提高CPU的频率有困难。oRISC系统的问题：对编译器的要求比较高，汇编程序不容易看懂。 oRISC的特点：大多数指令是单机器周期指令，指令周期 = 机器周期。 (1) 指令系统复杂。详细表如今指令数多、寻指令系统复杂。详细表如今指令数多、寻址方式多、指令格式多。址方式多、指令格式多。(2) 绝大多数指令需求多个时钟周期才干执行绝大多数指令需求多个时钟周期才干执行完成。完成。(3) 各种指令都可访问存储器。各种指令都可访问存