《計算機組成原理》.ppt

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1、計算機組成原理及匯編語言 （第5章）,主講教師：曹雪梅 授課班級：09鐵路通信信號（高職） 2010年11月17日,呼和浩特職業(yè)學(xué)院教案首頁,CPU的功能和結(jié)構(gòu) 指令的執(zhí)行過程和指令周期 時序信號產(chǎn)生器和控制方式 微程序設(shè)計技術(shù)和微程序控制器的基本概念 CPU的基本常識及Intel系列的CPU,第5章 中央處理器CPU,【本章主要內(nèi)容】,導(dǎo)論,計算機的工作原理,存儲程序和程序控制,（1）編程 （2）通過輸入設(shè)備送存儲器 （3）計算機工作時是按一定的序列逐條 取出指令、分析指令和執(zhí)行指令 并自動轉(zhuǎn)到下一條指令執(zhí)行， 直到程序規(guī)定的任務(wù)完成。,由CPU來完成,一、CPU的功能和結(jié)構(gòu),1.CPU的定

2、義,用來完成自動取出指令和執(zhí)行指令任務(wù)的計算機部件稱為中央處理器，簡稱CPU。,2.CPU的功能,（1）指令控制 （2）操作控制 （3）時間控制 （4）數(shù)據(jù)加工,控制程序嚴格按照規(guī)定的順序執(zhí)行,控制相應(yīng)部件嚴格按照指令的要求進行操作,控制各種操作的執(zhí)行時間,對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算,3.CPU的基本結(jié)構(gòu)及功能,（1）基本組成,控制器 運算器,（控制部件）,（執(zhí)行部件）,（2）控制器的組成和功能,功能,取出指令 分析指令 執(zhí)行指令,從內(nèi)存中取出當前的指令，并產(chǎn)生下一條 指令在內(nèi)存中的地址,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，形成操作的有效地址,完成指令規(guī)定的操作,對異常情況和某些請求做好處理,控制器的組成部

3、件及其作用,程序計數(shù)器（PC） 指令寄存器（IR） 地址寄存器（AR） 指令譯碼器（ID） 時序產(chǎn)生器 操作控制器,用來指示當前CPU正在執(zhí)行的指令在內(nèi)存 中的單元地址；并立即修改。,用來存放當前正在執(zhí)行的指令代碼,用來保存當前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址,對指令中的操作碼字段進行分析解釋， 識別指令規(guī)定的操作，發(fā)出控制信號,定時的作用,根據(jù)指令譯碼器的控制信號，在時序信號 的指揮下，發(fā)出各種操作控制信號，完成 指令規(guī)定的操作,操作控制器是CPU的核心部件 操作控制器根據(jù)設(shè)計方法的不同，可以分為,（2）運算器的組成和功能,功能,完成算術(shù)運算和邏輯運算,組成部件及其作用,算術(shù)邏輯單元（ALU）

4、累加存儲器（AC） 數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR） 狀態(tài)條件寄存器（PSW）,進行數(shù)據(jù)處理,為ALU提供一個工作區(qū)，即存放 運算結(jié)果，簡稱累加器,緩沖作用；中轉(zhuǎn)站作用；兼做寄存器 （P154）,保存運算結(jié)果建立的各種標志,CPU主要組成部件邏輯圖（P152 圖5.1.1）,【結(jié)論】,CPU是由控制器和運算器組成的?？刂破骺刂朴嬎?機的運行，運算器完成對操作數(shù)據(jù)的加工處理。 CPU正常工作必須包含的部件：多個通用寄存器， 用來保存CPU運行時所需的各類數(shù)據(jù)信息或運行狀態(tài)信 息；算術(shù)邏輯單元，對寄存器中的數(shù)據(jù)進行加工處理； 操作控制器，產(chǎn)生各種操作控制信號，以便在各寄存器 之間建立數(shù)據(jù)通路；時序產(chǎn)生器，對

5、各種控制信號進行 定時，以便就想時間上的約束。（P155）,二、指令的執(zhí)行過程和指令周期,1.指令的執(zhí)行過程,（1）取出指令,（2）分析指令,（3）執(zhí)行指令,通過ID譯出IR中指令各字段的操作， 產(chǎn)生對應(yīng)每一個操作的微操作命令序列,取操作數(shù)執(zhí)行操作形成下一條指令地址,問題,指令和數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)部均以二進制代碼的形式存放在內(nèi)存中。計算機是如何從時間和空間上區(qū)別它們是指令還是數(shù)據(jù)的？,【解答】（1）在時間上， 取指令事件發(fā)生在“取指周期” 取數(shù)據(jù)事件發(fā)生在“執(zhí)行周期” （2）在空間上， 從內(nèi)存中讀出的指令流流向IR 從內(nèi)存中讀出的數(shù)據(jù)流流向DR,2.指令周期的概念,（1）指令周期,就是指從取出指令

6、到執(zhí)行完這條指令所需要的時間,（2）不同的指令，它的指令周期顯然是不一樣的,為了統(tǒng)一標準將指令周期劃分為若干個CPU周期,也稱機器周期，是指從內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時間，即取指為一個CPU周期,（3）一個CPU周期由若干時鐘周期組成,也稱節(jié)拍脈沖，或T周期,例：P157162,【結(jié)論】（1）所有指令的取指都是一個CPU周期 （2）指令執(zhí)行所需要的CPU周期是不盡相同的,三、時序信號產(chǎn)生器和控制方式,1.時序信號的作用,時間標志。即給計算機各部件工作進行定時控制,時序部件實際上就是計算機的機內(nèi)時鐘，時 序信號是它的單位時間。,2.時序信號產(chǎn)生器,（1）功能：,就是用邏輯電路來實現(xiàn)控制時序，產(chǎn)

7、生 指令周期控制時序信號。,（2）控制方式,同步控制方式,是指在任何情況下，給定指令在執(zhí)行時所 需的CPU周期數(shù)和時鐘周期都是固定不變的。 以最復(fù)雜指令所需的時間為準。,優(yōu)點：設(shè)計簡單，操作控制容易實現(xiàn) 缺點：效率低,異步控制方式,滿足每條指令在執(zhí)行時所需的CPU周期，但每條指令 執(zhí)行完畢后，都必須向時序控制部件發(fā)回一個應(yīng)答信號。 控制器收到該信號后，才開始下一條指令的執(zhí)行。,優(yōu)點：指令的執(zhí)行效率高 缺點：控制線路比較復(fù)雜,聯(lián)合控制方式,以上兩種方法的結(jié)合，區(qū)分不同的指令,在功能部件內(nèi)部采用同步式 在功能部件之間采用異步式,作業(yè),1.P197 5.1 名詞解釋 （1）中央處理器（2）指令周期

8、（3）操作控制器（4）機器周期 5.2 填空（1）（4） 5.3，5.4，5.5,呼和浩特職業(yè)學(xué)院教案首頁,回顧上一講內(nèi)容,1.CPU的定義,自動完成取出指令、執(zhí)行指令任務(wù)的部件,1.CPU的定義,2.CPU的功能,指令控制、操作控制、時間控制、數(shù)據(jù)加工,3.CPU的組成,運算器和控制器,4.控制器的組成,PC、IR、ID、AR以及操作控制器和時序產(chǎn)生器,7.運算器的組成,ALU、AC、DR以及PSW,6.操作控制器種類,硬布線控制器、門陣列控制器、微程序控制器,8.指令周期；機器周期；時鐘周期；,5.操作控制器的定義,產(chǎn)生各種控制操作信號，完成指令執(zhí)行,9.時序信號的控制方式,同步、異步、聯(lián)

9、合,四、微程序設(shè)計技術(shù)和微程序控制器,（一）微程序設(shè)計技術(shù),微程序控制設(shè)計技術(shù)是利用軟件方法進行硬件設(shè)計的一門技術(shù)。,微程序控制的基本思想就是按照通常的設(shè)計解題思路，把控制信號編寫成微指令存放在一個只讀存儲器中。,1.微程序設(shè)計的基本概念,（1）微命令,控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令,（2）微操作,執(zhí)行部件按照微命令完成一系列的最基本操作,（3）微指令,一組實現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合,（4）微程序,一系列相關(guān)的微指令的集合,每個CPU周期基本上就對應(yīng)于一條微指令,微 操 作,（5）控制存儲器,存放微程序的存儲器。（用ROM來實現(xiàn)）,【結(jié)論】執(zhí)行一條指令實際上就是執(zhí)行一段存放

10、在 控制存儲器中的微程序。,2.微指令的基本結(jié)構(gòu),用來發(fā)出管理和指揮全機工作的控制信號,用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址,例：P170 圖5.4.2,3.微程序設(shè)計技術(shù),關(guān)鍵是微指令的結(jié)構(gòu),微指令的結(jié)構(gòu)大體分為兩類：,一次能定義并執(zhí)行多個并行操作微命令,采用微操作碼編譯法來規(guī)定微指令的功能,兩類指令的比較：（P175）,（二）微程序控制器,1.組成及功能,用來存放實現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序,用來存放由控制存儲器讀出的一條微指令,自動完成修改微地址，產(chǎn)生下一條微指令,2.在微程序控制器中，時序信號比較簡單，一般 采用節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖二級體制,對應(yīng)一個CPU周期的時間,對應(yīng)一個時鐘周期的時間,五、硬布

11、線控制器和門陣列控制器（P180185）,六、CPU的基本常識及Intel系列的CPU,1.CPU的基本常識（P185186）,2.Intel系列CPU簡介（P187189）,七、CPU新技術(shù),1.流水CPU,并行工作,2.RISC CPU（精簡指令計算機）,簡化了指令系統(tǒng)，從而使處理器的結(jié)構(gòu)更加簡單、更加合理，具有更高的性能和執(zhí)行效率，并降低處理器的開發(fā)成本,3.多媒體CPU,MMX: 是MultiMedia eXtensions(多媒體擴展)的縮寫，是第六代CPU芯片的重要特點。MMX技術(shù)是在CPU中加入了特地為視頻信號(Video Signal)，音頻信號(Audio Signal)以及

12、圖像處理(Graphical Manipulation)而設(shè)計的57條指令，因此，MMX CPU極大地提高了電腦的多媒體(如立體聲、視頻、三維動畫等)處理功能。 除了指令集中增加MMX指令(多媒體增強指令集)外，還將CPU芯片內(nèi)的L1緩存由原來的16KB增加到32KB（16K指令+16K數(shù)據(jù)），因此MMX CPU比普通CPU在運行含有MMX指令的程序時，處理多媒體的能力上提高了60左右。目前CPU基本都具備MMX技術(shù),作業(yè),1.P197 5.1 名詞解釋 （1）微指令（2）微程序 5.2 填空（5）（9） 5.11,呼和浩特職業(yè)學(xué)院教案首頁,外圍設(shè)備概述 顯示設(shè)備 輸入設(shè)備與打印設(shè)備 磁盤子系

13、統(tǒng),第9章 常見外圍設(shè)備及其應(yīng)用,【本章主要內(nèi)容】,一、外圍設(shè)備概述,1.定義：計算機系統(tǒng)中主機以外的硬設(shè)備,是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，簡稱為外設(shè) 也稱為輸入輸出設(shè)備（或I/O設(shè)備）,2.重要性,（1）計算機與外界交換信息的唯一途徑 （2）實現(xiàn)了多種媒體數(shù)據(jù)與二進制之間的轉(zhuǎn)換 （3）滿足人們對高速度大容量數(shù)據(jù)的要求,3.發(fā)展趨勢,智能化、微型化、功能復(fù)合化、高可靠性,其結(jié)構(gòu)逐漸趨于模塊化，同時采用各種自檢、診 斷、容錯技術(shù)使得外部設(shè)備的使用越來越方便和可靠。,4.常見的外部設(shè)備（P298 圖9.1.1）,二、顯示設(shè)備,1.顯示技術(shù)中的有關(guān)術(shù)語,（3）像素：在顯示器上，圖形和圖像都是由 光點組

14、成的，光點稱為像素。,（1）圖形：是指沒有亮暗層次變化的線條圖 如電路圖、工程設(shè)計圖等,（2）圖像：是指具有亮暗層次變化的圖片 如照片、自然景物等,（4）分辨率：是指顯示器所能表示的像素個數(shù)。,像素越密，分辨率越高，圖像越清晰。分辨率取決于顯像管熒光粉的粒度、熒光屏的尺寸和CRT電子束的聚焦能力。,（5）灰度級：是指黑白顯示器中所顯示的像素的 亮暗差別，在彩色顯示器中則表現(xiàn) 為顏色的不同。,灰度級灰度級越多，圖像層次月清楚逼真。,分辨率和灰度級是顯示器的兩個重要指標,（6）刷新：為了使人眼能看到穩(wěn)定的圖像，就必須 在圖像消失之前使電子束不斷地重復(fù)掃 描整個屏幕。這個過程稱為刷新。,每秒刷新的次

15、數(shù)稱為刷新頻率或掃描頻率,一般30次/秒,（7）刷新存儲器：為了不斷提供刷新圖像的信號，必 須把圖像存儲起來。存儲圖像的存 儲器稱為刷新存儲器。,存儲器的容量由分辨率和灰度級決定。 如分辨率為512512，256級灰度的圖像，其容量為256KB 即5125128/8=2929=218=28KB=256KB,電子束在熒光屏上按某種軌跡運動稱為掃描,掃描方式有兩種：隨機掃描和光柵掃描,（8）隨機掃描：是電子束只在需要作圖的地方掃描,特點：畫圖速度快，圖像清晰,（9）光柵掃描：是電視系統(tǒng)中采用的掃描方式。 電子束要掃描整個屏幕。,特點：從上至下順序掃描，分逐行掃描和隔行掃描,2.顯示器分類,（1）按

16、照現(xiàn)實顏色的不同分,（2）按照顯示器件的不同分,顯示卡（簡稱顯卡）完成CPU與顯示器的連接,三、輸入設(shè)備與打印設(shè)備,1.輸入設(shè)備,必備的輸入設(shè)備，沒有，計算機不正常啟動,利用鍵盤可以完成鼠標器的所有功能,（手寫板）,（攝像機和數(shù)碼相機）,（掃描儀）,2.打印設(shè)備,四、磁盤,磁盤的記錄方式和相關(guān)術(shù)語,數(shù)據(jù)存儲在磁盤上時是記錄在磁盤的同心圓上的,磁道,磁道從外圈向里圈依次編號，0開始,每個磁道被格式化為相同字節(jié)的扇區(qū),硬盤由若干個盤片所組成 每一個盤面上同一編號的磁道組成柱面,閃速存儲器被稱為固態(tài)盤,答：閃速存儲器是高密度、非易失性的讀寫 半導(dǎo)體存儲器，從原理上看，它屬于ROM， 但是它又可隨機改寫信息；從功能上看， 它又相當于RAM，所以傳統(tǒng)ROM與RAM的定 義和劃分已經(jīng)失去意義。因而它是一種全 新的存儲器技術(shù)。,什么是閃速存儲器？它有哪些特點？,五、光盤,光盤存儲器的種類,