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1、第三章 计算机核心部件及其 工作原理,第一节 中央处理器(CPU),冯诺伊曼计算机的特点,冯诺伊曼计算机的特点 计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输出设备组成 指令和数据一起以同等地位存放于存储器内,并可按地址访问 指令和数据均用二进制代码表示 指令由操作码和地址码组成,操作码用于表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置,冯诺伊曼计算机的特点,指令在存储器内按顺序存放 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来完成。,典型的冯诺伊曼计算机结构框图,运算器,控制器,输入设备,存储器,输出设备,典型的冯诺伊曼计算机结构框图,冯诺伊曼计算机结构的演化,控制部件
2、多样化 现代计算机系统采用了总线结构 总线:连接计算机各部件的一组公共信号线,它是计算机中传送信号代码的公共通道。 内部总线:把微处理机内部各个逻辑功能单元互相连接起来的线路 外部总线:把计算机各个功能部件互相连接起来的总线 数据总线、控制总线、地址总线,数据总线 实现CPU、存储器和输入输出设备三者之间的数据交换 双向总线 地址总线 用来输出指定的存储器或I/O设备地址的总线 单向总线 地址总线的数目决定了所能访问的存储单元的数目 控制总线,三态门缓冲器,输入,输出,启动/禁止,存储器成为计算机的中心,运算器,控制器,输入设备,存储器,输出设备,以存储器为中心的计算机结构框图,0001000
3、0,地 址 译 码 器,来自CPU的地址寄存器 00000010,控制,CPU发送读命令,将数据传送给CPU,存储器读操作,输入/输出系统的功能加强 采用了中断技术、DMA的方式的高速总线技术,指令系统,基本概念 指令:计算机执行某种操作的命令 指令系统:计算机各种操作的集合 指令系统是完备的 指令系统支持最高效率的执行 指令编码是合理的 指令系统须采取系列设计,指令字长和指令格式 机器字长:计算机能直接处理的二进制数据的位数 指令字长:指令中包含的二进制代码的位数。 单字长指令:指令字长和机器字长相等 双子长指令:指令子长度是机器子长的两倍 指令格式:由操作码和操作数组成,操作码,操作数/操
4、作数地址,操作码:决定了操作的类型,操作数码 无操作数指令 由操作数指令,操作码,操作码,操作数1/操作数地址1,操作数n/操作数地址n,计算机的工作过程(简要介绍),计算机的工作过程(简要介绍) 例:计算 ax2+bx+c 化简(ax+b)*x+c 运算步骤: 取x送指运算器中 乘以a,得ax,存于运算器中 加b,得ax+b,存于运算器中 乘以x,得(ax+b)x,存于运算器中 加c,得(ax+b)x+c,存于运算器中,计算机的工作过程(简要介绍),设某机器的指令字长为16位,其中操作码占6位,地址码占10位,如下图所示,操作码,操作数,6位,10位,使用系统总线的CPU,ALU,CU,寄存
5、器,中断系统,CPU,控制总线,数据总线,地址总线,使用系统总线的CPU,CPU的寄存器,CPU的寄存器 用户可见的寄存器 通用寄存器 数据寄存器 地址寄存器 条件代码寄存器,CPU的寄存器,控制和状态寄存器 MAR 存储器地址寄存器 MDR 存储器数据寄存器 PC 程序计数器 IR 指令寄存器,AX BX CX DX,通用寄存器,SP BP SI DI,指针和变址,CS DS SS ES,段,IP F,程序状态,8086微处理器寄存器的组织,细化的计算机组成框图,ACC,ALU,X,MQ,运算器,CU 控制单元,IR,PC,控制器,CPU,存储体,MDR,MAR,主存储器,I/O,CPU的功
6、能(控制器的功能),CPU的功能(控制器的功能) 取指令 分析指令 执行指令,CPU的控制单元,CPU的控制单元 指令周期的基本概念 CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期,取指阶段,执行阶段,取指周期 (取指、分析),执行周期 执行指令,指令周期,CPU的控制单元,指令周期的比较,取指周期,指令周期,无条件转移指令 JMP X,取指周期,指令周期,加法指令,执行周期,取指周期,指令周期,执行周期,乘法指令,CPU的控制单元,机器周期:完成一个基本的操作如读或写等所需要的时间 时钟周期(节拍、状态) 在一个机器周期里可以完成若干个微操作,每个微操作都需要一定的时间,可以用时钟信号来
7、控制产生每一个微操作命令。这样一个机器周期内就包含了若干个时钟周期,又称节拍或状态。,CPU的控制单元,机器周期T,T1,T2,Tn,T1,T2,Tn,机 器 周 期 M1,机 器 周 期 M2,指 令 周 期 (包括1n个机器周期),CPU的控制单元,微操作信号的产生电路设计方法 数字逻辑设计方法 微程序设计方法,流水线技术,如何提高整机的处理能力 提高器件的性能 改进系统的结构,开发系统的并行性,流水线技术,流水线结构 取指令,微处理器从高速缓存或内存中取一条指令 指令译码,分析指令 操作数地址生成,针对访存指令,要访问存储器中的操作数,需形成操作数的地址 取操作数,针对形成的存储器的地址
8、,指令取操作数 执行指令,由ALU执行指令规定的操作,流水线技术,写回运算结果,最后运算结果存放至某一内存单元或某一通用寄存器 修改指令指针,指向下一条指令,流水线技术,取指令1,执行指令1,取指令2,执行指令2,指令的串行执行,CPU,总线,时间,取指1,执行1,写数1,取指2,执行2,取指3,忙,忙,忙,忙,总线的使用情况,流水线技术,取指令1,执行指令1,取指令2,执行指令2,取指令3,执行指令3,指令的二级流水,流水线技术,二级流水不能使执行效率加倍 指令的执行时间一般大于取指时间,因此,取指阶段可能要等待一段时间。 遇到转移指令,下一条指令是不可知的,因为必须要等到执行阶段结束之后,
9、才能知道条件是否成立,从而决定下一条指令的地址,造成了时间上的浪费。,流水线技术,FI 取指令 DI 指令译码 CO 计算操作数地址 FO 取操作数 EI 执行指令 WO 写操作数,流水线技术,流水线种类 指令流水线结构,取 指 令,指 令 译 码,地 址 形 成,取 操 作 数,操 作 执 行,写 操 作 数,改指令指针,流水线技术,数据(运算)流水线,对 阶,锁存器,尾 数 相 加,锁存器,规 格 化,锁存器,流水线技术,影响流水线性能的因素 访存冲突 相关问题 控制相关 数据相关,流水线技术,流水线中的多发技术 超标量技术(Super Scalar) 每个时钟周期可同时并发多条指令,即以并行操作的方式将两条或两条以上的指令编译并执行 超流水线技术(Super pipe lining) 超长指令字技术(VLIW),假设一条指令分为四个阶段: 取指(FI)、译码(ID)、执行(EI)、回写(WR),流水线技术,RISC技术 CISC RISC P=N*C*S P:计算机执行程序所需要的时间 N:高级语言程序编译后在机器上运行的机器指令数 C:执行每条机器指令所需要的平均机器周期 S:每个机器周期的执行时间,流水线技术,RISC与CISC的统计比较,RISC 的性能优于 CISC 25 倍,
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