第4周大课处理器(3)

1、 1/31计算机组成原理计算机组成原理指令的基本功能指令的基本功能指令的格式指令的格式 2/31计算机组成原理计算机组成原理处理器的组成与工作过程处理器的组成与工作过程 3/31计算机组成原理计算机组成原理熟练掌握处理器的主要组成部分：熟练掌握处理器的主要组成部分： 寄存器、运算器、控制器寄存器、运算器、控制器理解处理器各个部分的主要功能理解处理器各个部分的主要功能理解中断的作用理解中断的作用掌握处理器的工作过程掌握处理器的工作过程 4/31计算机组成原理计算机组成原理ComputerMain MemoryInputOutputSystemsInterconnectionPeripherals

2、CommunicationlinesCentralProcessing UnitComputer 5/31计算机组成原理计算机组成原理ComputerArithmeticand Logic UnitControlUnitInternal CPUInterconnectionRegistersCPUI/OMemorySystemBusCPU 6/31计算机组成原理计算机组成原理3. 1 处理器的指令集处理器的指令集 3. 2 处理器的组成与工作过程处理器的组成与工作过程 3. 2. 1 处理器的基本功能和基本组成处理器的基本功能和基本组成1处理器概述处理器概述实现处理器内部各个单元之间信号传输的

3、线路称为实现处理器内部各个单元之间信号传输的线路称为片内总线。片内总线。实现处理器与主存储器和输入实现处理器与主存储器和输入/输出设备之间信号传输出设备之间信号传输的线路称为片外总线，简称输的线路称为片外总线，简称总线（总线（Bus）。 7/31计算机组成原理计算机组成原理3. 2. 1 处理器的基本功能和基本组成处理器的基本功能和基本组成1处理器概述处理器概述除了电源引脚（除了电源引脚（Vcc）和接地引脚（）和接地引脚（GND）外，大部分引脚）外，大部分引脚都用于信号传输。按照传输信号类别的不同，这些引脚可都用于信号传输。按照传输信号类别的不同，这些引脚可以分为数据总线引脚、地址总线引脚和控

4、制总线引脚。以分为数据总线引脚、地址总线引脚和控制总线引脚。数据总线引脚被命名为数据总线引脚被命名为D0，D1，Di。地址总线引脚被命名为地址总线引脚被命名为A0，A1，Aj。 8/31计算机组成原理计算机组成原理3. 2. 1 处理器的基本功能和基本组成处理器的基本功能和基本组成1处理器概述处理器概述常见的控制总线引脚有时钟常见的控制总线引脚有时钟CLK、复位、复位RESET、总线请、总线请求求HRQ、总线允许、总线允许HLDA、中断请求、中断请求INTR、中断响应、中断响应INTA、读、读RD、写、写WR等。等。 9/31计算机组成原理计算机组成原理3. 2. 1 处理器的基本功能和基本组

5、成处理器的基本功能和基本组成2处理器的基本功能处理器的基本功能 处理器的工作就是周而复始地执行指令，它的基本功能处理器的工作就是周而复始地执行指令，它的基本功能包括取指令、分析指令、取数据、处理数据、写回结果。包括取指令、分析指令、取数据、处理数据、写回结果。 （1）取指令。处理器根据）取指令。处理器根据PC给出的主存地址访问主存，给出的主存地址访问主存，取出一个标准字长的指令，将其送入处理器内部的指令取出一个标准字长的指令，将其送入处理器内部的指令寄存器寄存器 IR，然后，然后PC加加1。 10/31计算机组成原理计算机组成原理（2）分析指令。处理器将）分析指令。处理器将IR中的操作码部分取

6、出送入指令中的操作码部分取出送入指令译码器（译码器（Decoder）进行译码。根据译码结果判断出指令）进行译码。根据译码结果判断出指令的功能（即指令将要执行什么操作）、操作数的寻址方式的功能（即指令将要执行什么操作）、操作数的寻址方式以及操作数的数据类型，形成源操作数或目的操作数的物以及操作数的数据类型，形成源操作数或目的操作数的物理地址。理地址。（3）取数据。根据源操作数的物理地址访问主存，取出源）取数据。根据源操作数的物理地址访问主存，取出源操作数。源操作数将被送入处理器内部的数据寄存器，如操作数。源操作数将被送入处理器内部的数据寄存器，如累加器累加器ACC。 11/31计算机组成原理计算

7、机组成原理（4）处理数据。处理器将源操作数送入运算器，并根据指令）处理数据。处理器将源操作数送入运算器，并根据指令译码结果启动运算器的相应操作对数据进行处理。处理结果译码结果启动运算器的相应操作对数据进行处理。处理结果存回通用数据寄存器。存回通用数据寄存器。（5）写回结果。如果指令要求将结果写回主存，则处理器将）写回结果。如果指令要求将结果写回主存，则处理器将根据目的操作数的地址，将目的操作数写入主存。根据目的操作数的地址，将目的操作数写入主存。 3. 2. 1 处理器的基本功能和基本组成处理器的基本功能和基本组成2处理器的基本功能处理器的基本功能 12/31计算机组成原理计算机组成原理3.

8、2. 1 处理器的基本功能和基本组成处理器的基本功能和基本组成3处理器的基本组成与数据通路处理器的基本组成与数据通路访问主存是处理器经常执行的一个公共操作。为此，访问主存是处理器经常执行的一个公共操作。为此，处理器设置了专门存放访存地址的寄存器处理器设置了专门存放访存地址的寄存器MAR、专门、专门存放与主存交换数据的寄存器存放与主存交换数据的寄存器MDR/MBR。 13/31计算机组成原理计算机组成原理3. 2. 1 处理器的基本功能和基本组成处理器的基本功能和基本组成3处理器的基本组成与数据通路处理器的基本组成与数据通路处理数据的功能单元叫算术逻辑单元处理数据的功能单元叫算术逻辑单元ALU，

9、它的功能，它的功能是对数据进行各种算术运算或逻辑运算。是对数据进行各种算术运算或逻辑运算。 14/31计算机组成原理计算机组成原理3. 2. 1 处理器的基本功能和基本组成处理器的基本功能和基本组成 15/31计算机组成原理计算机组成原理3. 处理器的基本组成与数据通路处理器的基本组成与数据通路根据冯根据冯诺依曼型计算机的特点，处理器的所有工作都诺依曼型计算机的特点，处理器的所有工作都是在控制单元是在控制单元CU的指挥下完成的。的指挥下完成的。CU的功能是，通过对指令的分析（译码），按照一定的功能是，通过对指令的分析（译码），按照一定的时序，发出控制信号，使的时序，发出控制信号，使CPU在控制

10、信号的驱动下在控制信号的驱动下，完成相应指令的功能。，完成相应指令的功能。 16/31计算机组成原理计算机组成原理3. 处理器的基本组成与数据通路处理器的基本组成与数据通路处理器内部设置有大量的寄存器。高级语言程序员，处理器内部设置有大量的寄存器。高级语言程序员，无须了解这些寄存器。中级语言（如无须了解这些寄存器。中级语言（如C语言）程序员，语言）程序员，可能需要了解一些寄存器的知识。低级语言（即汇编可能需要了解一些寄存器的知识。低级语言（即汇编语言）程序员需要对寄存器有深入的了解。语言）程序员需要对寄存器有深入的了解。但是即使是汇编语言程序员，处理器内部的某些寄存但是即使是汇编语言程序员，处

11、理器内部的某些寄存器也是无须关心的，如器也是无须关心的，如MAR和和MDR。即，。即，MAR和和MDR对汇编程序员是对汇编程序员是“透明的透明的”。 17/31计算机组成原理计算机组成原理寄存器分为寄存器分为“用户可见的寄存器用户可见的寄存器”和和“用户透明的寄存用户透明的寄存器器”，这里的，这里的“用户用户”是指汇编语言程序员。是指汇编语言程序员。“用户可见的寄存器用户可见的寄存器”包括通用数据寄存器、基址寄存包括通用数据寄存器、基址寄存器、变址寄存器、器、变址寄存器、FR、PC等等“用户透明的寄存器用户透明的寄存器”包括包括MAR、MDR、ALU的输入的输入寄存器寄存器A和和B以及输出寄存

12、器以及输出寄存器SUM 3. 处理器的基本组成与数据通路处理器的基本组成与数据通路 18/31计算机组成原理计算机组成原理 指令执行过程中，数据所经过的路径及路径上的部件称指令执行过程中，数据所经过的路径及路径上的部件称为为“数据通路数据通路（Data Path）”或或“数据路径数据路径”。 例如，通用寄存器、例如，通用寄存器、ALU及符号位扩展单元、状态寄存及符号位扩展单元、状态寄存器、器、Cache、“异常异常”和和“中断中断”处理逻辑、处理逻辑、MMU（存储管（存储管理单元）都属于理单元）都属于数据通路数据通路。 从这个意义上说，处理器由从这个意义上说，处理器由控制器控制器CU和和数据通

13、路数据通路组成。组成。3. 处理器的基本组成与数据通路处理器的基本组成与数据通路 19/31计算机组成原理计算机组成原理 所谓中断，是指计算机在执行程序的过程中，当出现所谓中断，是指计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机会在适当时机暂停现行程异常情况或特殊请求时，计算机会在适当时机暂停现行程序的运行，转向执行处理这些异常情况或特殊请求的程序序的运行，转向执行处理这些异常情况或特殊请求的程序（即中断处理程序或中断服务程序），处理结束后再返回（即中断处理程序或中断服务程序），处理结束后再返回到现行程序的间断处继续执行。到现行程序的间断处继续执行。4. 中断的基本概念中断的基本

14、概念目前，中断已经成为计算机不可或缺的功能。目前，中断已经成为计算机不可或缺的功能。 20/31计算机组成原理计算机组成原理 能够发出中断请求的部件或事件，称为能够发出中断请求的部件或事件，称为“中断源中断源”。 不同的中断源被赋予了一个不同的不同的中断源被赋予了一个不同的“中断类型号中断类型号”。 由于中断请求信号到来的时间是随机的，处理器不可由于中断请求信号到来的时间是随机的，处理器不可能随时对它进行处理。通常约定：中断可以中断程序，但能随时对它进行处理。通常约定：中断可以中断程序，但不能中断指令。处理器只会在指令执行的末尾，去检测是不能中断指令。处理器只会在指令执行的末尾，去检测是否有中

15、断请求。若有，并且处理器处于允许响应的状态，否有中断请求。若有，并且处理器处于允许响应的状态，则响应中断请求，否则执行下一条指令。则响应中断请求，否则执行下一条指令。4. 中断的基本概念中断的基本概念 21/31计算机组成原理计算机组成原理为此，控制总线要增加接收中断请求信号的引脚为此，控制总线要增加接收中断请求信号的引脚INTR和和发出中断响应信号的引脚发出中断响应信号的引脚INTA。处理器内部要设置一个处理器内部要设置一个“中断允许中断允许”标志和一个中断状标志和一个中断状态触发器态触发器“INT”。可以通过可以通过“开中断开中断”指令指令STI将将EINT置为置为1，通过，通过“关中关中

16、断断”指令指令CLI将将EINT清成清成0。响应中断请求后，处理器将响应中断请求后，处理器将INT置成置成1 进入中断状态。进入中断状态。 22/31计算机组成原理计算机组成原理处理器内部与中断有关的逻辑电路称为处理器内部与中断有关的逻辑电路称为中断单元中断单元，实现中断的所有硬件和软件称为实现中断的所有硬件和软件称为中断系统中断系统。 23/31计算机组成原理计算机组成原理例例3-10 下列选项中，能引起外部中断的事件是下列选项中，能引起外部中断的事件是 。 A.键盘输入键盘输入 B.除数为除数为0 C.浮点运算下溢浮点运算下溢 D.访存缺访存缺页页答：根据中断源在处理器内答：根据中断源在处

17、理器内/外，中断分为内部中断和外部外，中断分为内部中断和外部中断。内部中断的例子有：除数为中断。内部中断的例子有：除数为0，溢出，非法访问（如，溢出，非法访问（如越界访问）。外部中断的例子有：来至外设的中断（如键越界访问）。外部中断的例子有：来至外设的中断（如键盘输入），来至定时器的时钟中断等。盘输入），来至定时器的时钟中断等。 “访存缺页访存缺页”属于故障，不是中断。故选属于故障，不是中断。故选A。 24/31计算机组成原理计算机组成原理3. 2 处理器的组成与工作过程处理器的组成与工作过程 3. 2. 2 计算机的工作过程计算机的工作过程 计算机的工作是由处理器的工作来驱动的，而处理器的计

18、算机的工作是由处理器的工作来驱动的，而处理器的工作就是执行指令。工作就是执行指令。 把处理器取出并执行一条指令称为对指令的解释。把处理器取出并执行一条指令称为对指令的解释。 每取出并执行一条指令所需的全部时间叫每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期指令周期。 25/31计算机组成原理计算机组成原理3. 2. 2 计算机的工作过程计算机的工作过程 下面以计算下面以计算 X + Y 为例来编制控制计算机为例来编制控制计算机/处理器工处理器工作的程序。作的程序。（1）从内存单元）从内存单元X中取数据送入累加器中取数据送入累加器ACC；（2） ACC加上内存单元加上内存单元Y中的数据，中的数据，

19、 结果存回结果存回ACC中；中；（3） ACC的值存入内存单元的值存入内存单元Z中；中；（4）停机。）停机。 26/31计算机组成原理计算机组成原理3. 2. 2 计算机的工作过程计算机的工作过程 此程序在某模型机上运行，用到的指令如下：此程序在某模型机上运行，用到的指令如下：指令名称指令名称助记符助记符指指 令令 功功 能能操作码操作码指令操作数指令操作数数据读入数据读入LOAD将某个内存单元将某个内存单元X中的中的数 据 取 出 并 送 入数 据 取 出 并 送 入ACC0001B内存单元内存单元X的地址的地址加加 法法ADDACC加上内存单元加上内存单元Y中中的数据，结果存回的数据，结果存回ACC中中0010B内存单元内存单元Y的地址的地址数据存回数据存回STORE将将ACC的值存入内存单的值存入内存单元元Z中中0011B内存单元内存单元Z的地址的地址停停 机机HALT停止处理器工作停止处理器工作1000B无操作数无操作数 27/31计算机组成原理计算机组成原理 程序存入主存的结果如下，其中分配给变量程序存入主存的结果如下，其中分配给变量X、Y和和Z的内存单元地址是的内存单元地址是1100B、1101B和和1110B。 主存单元地址主存单元地址汇编程序汇编程序/数据数据指令操作码指令操作码 指令操作数指令