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1、第三章 电子计算机的工作原理,3.1 电子计算机的结构特点,一、冯.诺伊曼体系结构,由运算器、存储器、控制器和I/O设备组成；指令和数据以同等地位存放在存储器中，按地址寻访；指令和数据均以二进制表示；指令由操作码和数据组成；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变执行的顺序；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通过运算器完成。,冯.诺伊曼体系结构的特点,二、中央处理器(CPU)的组成1、运算器：运算器由算术逻辑部件(ALU)和一些寄存器组成，是直接进行数据交换和运算的部件；2、控制单元：控制单元用来指挥和控制程序和数据的输入、运行和处理；3、寄存器：包括寄存
2、器组，累加器(ACC)，标志寄存器(FR)，程序计数器(PC)，指令寄存器(IR)，地址寄存器(AR)，数据缓冲寄存器(DR)；,三、冯.诺伊曼结构的演化1、控制部件设计的多样化 逻辑电路设计实现；微程序设计实现。2、采用总线结构分散连接的方式使得输入输出设备无法变动早期交换数据必须通过运算器利用三态缓冲器使得总线上的设备或器件分时工作,计算机的系统总线结构总线：是连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
3、址总线的个数与存储器单元的数量有关，称为寻址能力；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 现代计算机已经从以运算器为中心转化为以存储器为中心；,以存储器为中心的计算机硬件框图,存储体,大楼,存储单元 存放一串二进制代码,存储字 存储单元中二进制代码的组合,存储字长 存储单元中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号,按地址寻访,存储单元,存储元件,（0/1）,房间,床位,（无人/有人）,存储器的基本组成,MAR,MDR,存储器地址寄存器反映存储单元的个数,存储器数据寄存器反映存储字长,存储器的基本组成,存储器用来存放数据和程序；主存储器可以分为
4、随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)；CPU每一次只能对存储器中的一个存储单元进行读操作或写操作。,4、输入/输出系统功能的加强,DMA、中断技术,3.2 指令系统,一、指令系统的基本概念机器指令：命令机器做某种操作的一条语句称为一个机器指令；指令系统：全部机器指令的集合称为指令系统。指令系统是软硬件的主要界面，不同处理器对应不同的指令系统,二、指令格式,操作码：是一条指令的操作类型或作用；操作数：代表需要处理的数，或参与操作数的地址。操作数的个数可以是0、1、2、3个指令字长：指令中包含二进制代码的位数。单字长指令：指令字长与机器字长相等；双字长指令：指令字长度是机器字长度两倍；机器字
5、长：计算机能直接处理的二进制数据的位数,三、指令（编码）系统实例,3.3 中央处理器(CPU),一、CPU的基本结构 二、CPU的基本操作三、CPU的控制器和机器时钟,一、CPU的基本结构,1、数的存储：寄存器、锁存器、存储器,2、累加器ACC：运算之前保存一个操作数，运算之后保存运算结果，CPU中可以有一个或多个累加器；3、通用寄存器组：可以用来保存数据，也可以参与计算，存取速度非常快，但一般数量不多；4、标志寄存器：用来记录CPU当前运行的一些状态，如加减法的进位，溢出，计算结果的正负，运算结果是否为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、地址寄存器AR：与地址总
6、线相连，给出操作内存单元的地址；7、指令寄存器IR：保存取出的指令码；8、数据缓冲寄存器DR：与数据总线相连，保存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的基本操作,1、取指令2、读数据3、写数据,取指令1、PC地址地址寄存器地址总线2、控制单元读信号 3、数据总线数据缓冲寄存器指令寄存器译码器操作单元4、PC地址+1,读数据1、地址码地址寄存器地址总线 2、CU读信号 3、数据总线数据缓冲寄存器ACC,写数据1、地址码地址寄存器地址总线 2、ACC数据缓冲寄存器数据总线3、CU写信号,三、CPU的控制器和机器时钟,控制器：在时钟节拍下，按照每一条指
7、令对应的各个基本操作发出相应控制信号，驱动各功能部件有序工作完成规定的操作内容。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。时钟周期：一个时钟信号的周期称为时钟周期；机器周期：CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期；指令周期：CPU完成一条指令所需要的时间称为指令周期。,(一)、CPU控制部件的设计方法,数字逻辑设计方法 将指令系统中每条指令对应的同一种微操作归纳综合，考虑执行这一微操作的所有电路要求和时钟要求，用数字逻辑电路加以实现。组成：门电路、寄存器。微程序设计方法 将由硬件电路设计方法形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
8、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,分解指令为若干个微操作；将各微操作对应到指令周期的不同时钟中去；采用普通的逻辑电路设计方法，设计出操作控制线路；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点,设计过程复杂，各条指令之间的微操作有许多是相同的；CPU一经设计好，很难改变功能。,2、微程序设计方法,微程序控制器的结构框图,微程序设计方法的优点,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；改变CPU的功能非常方便，只需修改控制存储器中的微程序即可。,3.4 计算机的工作过程,主机完成一条指令的过程,1)以取数指令为例,2
9、)以存数指令为例,取x 至运算器中,乘以x 在运算器中,乘以a 在运算器中,存ax2 在存储器中,取b 至运算器中,乘以x 在运算器中,加ax2 在运算器中,加c 在运算器中,=(ax+b)x+c,取x 至运算器中,乘以a 在运算器中,加b 在运算器中,乘以x 在运算器中,加c 在运算器中,计算 ax2+bx+c,3)编程举例,4)ax2+bx+c 程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,3.5、流水线技术,1、流水线的
10、基本概念流水线的思想：每条指令的执行都可以分为若干个步骤。早期的CPU指令是串行执行的，现代的CPU是将这些步骤重叠执行。,无流水线CPU的执行过程,3级流水线CPU的执行过程,流水线：是指把一个重复的处理过程分解成若干个子处理过程，每个子过程可以与其它的子过程同时进行处理。8086CPU的流水线结构：,7级流水结构：现代的微处理器一般采用7级流水线,2、流水线的种类：指令流水线指令分解，各步操作重叠，典型的执行过程如7步流水数据流水线又称运算流水：运算步骤分解，如浮点加法：对阶尾数加规格化3、流水线的问题 相关：流水线中指令之间因为某种关联使流水线停顿的现象。控制相关 部件相关 数据相关,流
11、水线的问题,a)控制相关原因：转移指令引起的相关，需要等待转移的条件；转移指令的频度约占 指令总数的20%。措施：1）延迟转移法：推迟执行转移（若无影响的 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可能性大 的分支，继续预取指令。需要两个 预取指令队列，高性能计算机中使用。,b)部件相关 原因：争用同一个部件，如存储器；措施：停一拍c)数据相关原因:后一条指令要用到前一条指令计算后的 数据，如访问同一个寄存器或者内存单元措施：设置比较电路，检查前后两个地址是否相同,流水线的问题,3.6、RISC技术,CISC，复杂指令系统计算机(Complex Instruction S
12、et Computer)；RISC，简化指令系统计算机(Reduced Instruction Set Computer)。,CISC和RISC计算机的特点CISC系统的问题：对复杂指令系统的解释和设计导致CPU结构复杂，流水线技术不容易实现，提高CPU的频率有困难。RISC系统的问题：对编译器的要求比较高，汇编程序不容易看懂。RISC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。具体表现在指令数多、寻址方式多、指令格式多。(2)绝大多数指令需要多个时钟周期才能执行完成。(3)各种指令都可访问存储器。(4)采用微程序控制。(5)有专用寄存器。(6)难以用优化编译
13、生成高效的目标代码程序,早期CISC设计风格的主要特点：,RISC技术的主要特征：,简化的指令系统。表现在指令数较少、基本寻址方式少、指令格式少、指令字长度一致。以寄存器寄存器方式工作。以流水方式工作，从而可在一个时钟周期内执行完毕。使用较多的通用寄存器以减少访存，不设置或少设置专用寄存器。采用由阵列逻辑实现的组合电路控制器，不用或少用微程序。采用优化编译技术，保证流水线畅通，对寄存器分配进行优化。,3.7 高性能处理及技术,多发射技术：一个时钟周期内发出多条指令。超标量技术普通流水线作业；P65(a超标量流水作业；P65(b超流水线技术 P65(c超长指令字（VLIW）P65(d,作业,P671,2,3,4,5,6,7,9,11题;,
