计算机系统组成与工作原理

§3.1模型机的结构及工作过程一、模型机的结构简介模型机的主要构成：三总线(地址总线、数据总线和控制总线)处理器（CPU）器I/O接口2/152CPU总线地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、器标志寄存器地址译码器指令寄存器数据寄存器控制电路指令译地址寄存器PC程序计数器寄存器组累加器AALU微操作信号发生器图3-1

模型机的结构3/1521、处理器的组成处理器（CPU）由运算器和控制器组成。（1）运算器定义：运算器是计算机中加工和处理数据的功能部件。功能：对数据进行加工处理，主要包括算术和逻辑运算，如加、减、乘、与、或、非运算等。另外，还暂时存放参与运算的数据和中间结果。4/152运算器组成部分算数逻辑单元ALU（ArithmeticLogicalUnit）：主要完成算术、逻辑运算。累加寄存器（简称累加器）A：用于存放操作数或运算结果。寄存器组：由其它寄存器组成，主要用于存放操作数或运算结果。标志寄存器F：存放运算结果的标志（零、正负、进位、溢出等）。5/152（2）控制器功能：控制器用于控制和指挥计算机内各功能部件协调动作，完成计算机程序功能。6/152控制器组成程序计数器PC（Program

Counter）：用于存放将要取出的指令地址，指令取出后，其内容自动加1。指令寄存器IR（Instruction

Register）：用于存放指令的操作码。指令译

ID（Instruction

Decode）：用于将指令的操作码翻译成机器能识别

令信号。微操作信号发生器MOSG

（

Microoperation

SignalGenerator）：用于产生一系列微操作控制信号。地址寄存器AR（AddressRegister）：用于存放操作数或结果单元的地址。数据寄存器DR（Data

Register）：用于存放操作数。7/152控制器种类根据产生微操作控制信号的方式不同组合逻辑控制型逻辑型组合逻辑

逻辑结合型根本区别在于微操作信号发生器的实现方法不同.8/152组合逻辑型控制器优点：其微操作信号发生器是由门电路组成的复杂树状网络构成的。最大优点是速度快。缺点：微操作信号发生器结构不规整，设计、调试、维修较，难以实现设计自动化。一旦控制部件构成后，难以增加新的控制功能。目前仅有一些巨型机和RISC机为追求高速度仍采用组合逻辑控制器。9/152逻辑型控制器优点：采用 逻辑来实现，即把微操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序，存入控制 器中，微操作控制信号由微指令产生。它具有设计规整，调试、维修、更改、扩充指令都方便的优点，易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。缺点：由于它增加了一级控制器，所以指令的执行速度比组合逻辑控制器慢。10/152PLA控制器组合逻辑与逻辑结合型的控制器称为PLA控制器，它是吸收前两种控制器的设计思想来实现的。PLA控制器实际上也是一种组合逻辑控制器，但它又与常规的组合逻辑控制器的硬连结构不同，它是程序可编的，某一微操作控制信号由PLA的某一输出函数产生。PLA控制器是组合逻辑技术和逻辑技术结合的产物，它克服了两者的缺点，是一种较有前途的方法。11/152图3-2

微操作信号发生器的基本结构示意图12/152单元和2、

器的结构功能：主要用于保存程序和数据。组成部分：包含地址译

、控制逻辑。13/152器

过程（1）读操作CPU首先将地址寄存器AR的内容放到地址总线AB上，地址总线上的内容进入地址译，由地址译进行译码，选通相应的单元。被选通的单元的内容就出现数据总线上，在控制信号的作用下，

CPU从数据总线上数据到数据寄存器DR，从而完成器的读操作。14/152（2）写操作CPU将地址寄存器AR的内容送到地址总线

AB上，地址总线上的内容进入地址译

，由地址译

进行译码，以选通相应的存储单元。在控制信号的作用下，CPU将要写入的数据通过数据总线写入到被选通的单元，完成

器的写操作。15/152二、模型机的工作过程工作过程指令→分析指令→执行指令→保存结果在进行计算之前，应做如下工作：用助记符号指令（汇编语言）编写源程序）；用汇编 （汇编程序）将源程序汇编成计算机能识别的机器语言程序；将数据和程序通过输入设备送入 器中存放。16/152下面举例说明计算机程序的具体执行过程。例如，计算7+10=?，结果在A中。17/152汇编语言语句机器码注释MOV

A，07HB0H

07H；07送入累加器AADD

A，0AH04H

0AH；10与A中内容相加，结果在A中HLTF4H；暂停假设上述程序在

器中的（设程序从00H开始存放）格式。地址内容00HB0H01H07H02H04H03H0AH04HF4H图3-3

示例程序机器码在器中的格式18/152指令阶段的执行过程如下：CPU将程序计数器PC的内容00H送地址寄存器

AR。程序计数器PC的内容自动加1变为01H，为取下一条指令作好准备。地址寄存器AR将00H通过地址总线AB送至存储器地址译

译码，选中00H单元。器送至数据CPU发出“读”命令。所选中的00单元的内容B0H由总线DB上。19/152经数据总线DB，CPU将读出的内容B0H送至数据寄存器DR。数据寄存器DR将其内容送至指令寄存器IR中，经过译码，CPU“识别”出此操作码为两字节

指令的第一个字节，再取出下一个字节后得知是“MOV

A，07H”指令，于是控制器发出执行这条指令的控制命令。20/152第一条指令第一个字节的示意图。ARALUABMOSGIDIRPC00H100H2B0H07H04H0AHF4H34读命令5DRB0H6B0H7控制信号21/152

图3-4第一条指令第一个字节的示意图执行指令阶段的执行过程如下：CPU将程序计数器PC的内容送地址寄存器AR。程序计数器PC的内容自动加1变为02H，为取下一条指令作好准备。器地址译地址寄存器AR将01H通过地址总线送至译码，选中01H单元。CPU发出“读”命令。所选中的01H单元的内容07H读至数据总线DB上。经数据总线DB，读出的内容07H送至数据寄存器DR。由控制码计算机确定读出的是立即数，并要求将它送入累加器A中，所以数据寄存器DR通过

总线将07H送入累加器A中。22/152执行第一条指令的示意图。PCARALUABDRIR02H101H200

B0H0107H0204H030AH04F4H34读命令07H567控制信号07HMOSGID23/152图3-5

执行第一条指令示意图执行第二条指令的取指过程与第一条相同，只是指令码地址不同。经过对第二条指令操作码的分析（译码）得知第二条指令为加法指令，执行过程如下：程序计数器PC的内容送AR。程序计数器PC的内容自动加1并回送PC。地址寄存器AR的内容经地址总线AB送到器地址译

。24/152CPU发出“读”命令。所选中的03H单元的内容0AH送到数据总线DB。数据总线DB上的内容送数据寄存器DR。数据寄存器DR的内容经B寄存器送算术逻辑单元ALU的一端。累