3、電子計算機的工作原理ppt課件

1、第三章第三章 電子計算機的任電子計算機的任務原理務原理 3.1 電子計算機的構造特點電子計算機的構造特點 一、馮一、馮.諾伊曼體系構造諾伊曼體系構造 n由運算器、存儲器、控制器和I/O設備組成；n指令和數(shù)據(jù)以同等位置存放在存儲器中，按地址尋訪；n指令和數(shù)據(jù)均以二進制表示； n指令由操作碼和數(shù)據(jù)組成；n指令在存儲器中順序存放，順序執(zhí)行，特定情況下根據(jù)條件改動執(zhí)行的順序；n機器以運算器為中心，輸入/輸出設備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都經過運算器完成。 馮馮.諾伊曼體系構造的特點諾伊曼體系構造的特點二、中央處置器二、中央處置器(CPU)的組成的組成1、運算器：運算器由算術邏輯部件、運算器：運算器由算術邏輯

2、部件(ALU)和和一些存放器組成，是直接進展數(shù)據(jù)交換一些存放器組成，是直接進展數(shù)據(jù)交換和運算的部件；和運算的部件；2、控制單元：控制單元用來指揮和控制程序、控制單元：控制單元用來指揮和控制程序和數(shù)據(jù)的輸入、運轉和處置；和數(shù)據(jù)的輸入、運轉和處置；3、存放器：、存放器： 包括存放器組，累加器包括存放器組，累加器(ACC)，標志存放器標志存放器(FR)，程序計數(shù)器，程序計數(shù)器(PC)，指，指令存放器令存放器(IR)，地址存放器，地址存放器(AR)，數(shù)據(jù)緩，數(shù)據(jù)緩沖存放器沖存放器(DR)；三、馮三、馮.諾伊曼構造的演化諾伊曼構造的演化1、控制部件設計的多樣化、控制部件設計的多樣化 邏輯電路設計實現(xiàn)；邏

3、輯電路設計實現(xiàn)；微程序設計實現(xiàn)。微程序設計實現(xiàn)。 2、采用總線構造、采用總線構造分散銜接的方式使得輸入輸出設備無法變動分散銜接的方式使得輸入輸出設備無法變動早期交換數(shù)據(jù)必需經過運算器早期交換數(shù)據(jù)必需經過運算器利用三態(tài)緩沖器使得總線上的設備或器件分利用三態(tài)緩沖器使得總線上的設備或器件分時任務時任務計算機的系統(tǒng)總線構造總線：是銜接各部件的一組公共信號線，傳送信號和代碼的公共通道。 系統(tǒng)總線的分類：數(shù)據(jù)總線：用來傳輸各功能部件之間的數(shù)據(jù)信息，是雙向傳輸總線，位數(shù)與機器字長有關；地址總線：用來指出數(shù)據(jù)總線上的源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)在主存中的地址，是單向傳輸總線，地址總線的個數(shù)與存儲器單元的數(shù)量有關，稱為尋址

4、才干； 控制總線：用來發(fā)出各種控制信號的傳輸線，每一根控制總線是單向的。 3、以存儲器為中心 現(xiàn)代計算機曾經從以運算器為中心轉化為以存儲器為中心；程序程序存儲器存儲器輸出設備輸出設備輸入設備輸入設備運算器運算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結果結果計算計算以存儲器為中心的計算機硬件框圖以存儲器為中心的計算機硬件框圖存儲體存儲體大樓大樓存儲單元存儲單元 存放一串二進制代碼存放一串二進制代碼存儲字存儲字 存儲單元中二進制代碼的組存儲單元中二進制代碼的組合合存儲字長存儲字長 存儲單元中二進制代碼的存儲單元中二進制代碼的位數(shù)位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪按地址尋訪 存儲單元存

5、儲單元 存儲元件存儲元件0/10/1 房間房間 床位床位無人無人/ / 有人有人 存儲器的根本組成主存儲器主存儲器存儲體存儲體MARMARMDRMDRMARMARMDRMDR 存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù) 1616存儲字長存儲字長 8 8 設設 MAR = 4 MAR = 4 位位 MDR = 8 MDR = 8 位位存儲器地址存放器存儲器地址存放器反映存儲單元的個數(shù)反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)存放器存儲器數(shù)據(jù)存放器反映存儲字長反映存儲字長 存儲器的根本組成主存儲器主存儲器存儲體存儲體MARMARMDRMDRn存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序；n主存儲器可以分為隨機存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)；

6、nCPU每一次只能對存儲器中的一個存儲單元進展讀操作或寫操作。4、輸入/輸出系統(tǒng)功能的加強 DMA、中斷技術3.2 指令系統(tǒng)一、指令系統(tǒng)的根本概念一、指令系統(tǒng)的根本概念機器指令：命令機器做某種操作的一條語句機器指令：命令機器做某種操作的一條語句稱為一個機器指令；稱為一個機器指令；指令系統(tǒng)：全部機器指令的集合稱為指令系指令系統(tǒng)：全部機器指令的集合稱為指令系統(tǒng)。統(tǒng)。指令系統(tǒng)是軟硬件的主要界面，不同處置器指令系統(tǒng)是軟硬件的主要界面，不同處置器對應不同的指令系統(tǒng)對應不同的指令系統(tǒng) 二、指令格式二、指令格式o操作碼：是一條指令的操作類型或作用；o操作數(shù)：代表需求處置的數(shù)，或參與操作數(shù)的地址。操作數(shù)的個數(shù)

7、可以是0、1、2、3個o指令字長：指令中包含二進制代碼的位數(shù)。o單字長指令：指令字長與機器字長相等；o雙字長指令：指令字長度是機器字長度兩倍；o機器字長：計算機能直接處置的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)三、指令編碼系統(tǒng)實例三、指令編碼系統(tǒng)實例操作碼意義 助記符 00H加，A + NUMA ADD A, NUM(數(shù)字) 01H減，A NUMA SUB A, (ADDR) 02H乘，A * ADDR存儲單元中的數(shù)據(jù)A MUL A, (ADDR) 03H除，A / ADDR存儲單元中的數(shù)據(jù)A DIV A, (ADDR) 04H邏輯與，A and NUMA AND A, NUM 05H取數(shù)，將一個數(shù)取到A中 LD

8、A，NUM 06H存數(shù)，將A中的數(shù)保存到ADDR存儲單元中 MOV (ADDR), A 07H停機 STOP 3.3 中央處置器(CPU)一、一、CPU的根本構造的根本構造 二、二、CPU的根本操作的根本操作三、三、CPU的控制器和機器時鐘的控制器和機器時鐘一、CPU的根本構造 1、數(shù)的存儲：存放器、鎖存器、存儲器 2、累加器ACC：運算之前保管一個操作數(shù)，運算之后保管運算結果，CPU中可以有一個或多個累加器； 3、通用存放器組：可以用來保管數(shù)據(jù)，也可以參與計算，存取速度非?？欤胀〝?shù)量不多； 4、標志存放器：用來記錄CPU當前運轉的一些形狀，如加減法的進位，溢出，計算結果的正負，運算結果能

9、否為0等等；5、程序計數(shù)器PC：存放下一條要執(zhí)行的指令的地址碼； 6、地址存放器AR：與地址總線相連，給出操作內存單元的地址； 7、指令存放器IR：保管取出的指令碼； 8、數(shù)據(jù)緩沖存放器DR：與數(shù)據(jù)總線相連，保管要寫入內存的數(shù)據(jù)或從內存中讀出的數(shù)據(jù)；9、指令譯碼器：解釋指令碼的意義。二、CPU的根本操作1、取指令2、讀數(shù)據(jù)3、寫數(shù)據(jù)o取指令o1、PC地址地址存放器地址總線o2、控制單元讀信號 o3、數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖存放器指令存放器譯碼器操作單元o4、PC地址+1 o讀數(shù)據(jù)o1、地址碼地址存放器地址總線 o2、CU讀信號 o3、數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)緩沖存放器ACCo寫數(shù)據(jù)o1、地址碼地址存放器地址總線

10、o2、ACC數(shù)據(jù)緩沖存放器數(shù)據(jù)總線o3、CU寫信號 三、CPU的控制器和機器時鐘o控制器：在時鐘節(jié)拍下，按照每一條指令對應的各個根本操作發(fā)出相應控制信號，驅動各功能部件有序任務完成規(guī)定的操作內容。o時序：正確執(zhí)行一條指令時，為該條指令中的每個微操作所安排的時間表稱為時序。o時鐘周期：一個時鐘信號的周期稱為時鐘周期； o機器周期：CPU完成一個根本操作所需求的時間稱為機器周期； o指令周期：CPU完成一條指令所需求的時間稱為指令周期。(一)、CPU控制部件的設計方法 n數(shù)字邏輯設計方法n 將指令系統(tǒng)中每條指令對應的同一種微操作歸納綜n合，思索執(zhí)行這一微操作的一切電路要求和時鐘要求，n用數(shù)字邏輯電

11、路加以實現(xiàn)。n組成：門電路、存放器。n微程序設計方法 n 將由硬件電路設計方法構成的指令操作步驟改用微程序來控制。1、數(shù)字邏輯設計方法 數(shù)字邏輯電路設計方法的微控制電路圖：數(shù)字邏輯方法的設計步驟數(shù)字邏輯方法的設計步驟o分解指令為假設干個微操作；o將各微操作對應到指令周期的不同時鐘中去；o采用普通的邏輯電路設計方法，設計出操作控制線路；o每個控制線路的輸出是一個微操作控制信號，用來實現(xiàn)對機器的控制。數(shù)字邏輯設計方法的缺陷數(shù)字邏輯設計方法的缺陷o設計過程復雜，各條指令之間的微操作有許多是一樣的；oCPU一經設計好，很難改動功能。 2、微程序設計方法微程序控制器的構造框圖微程序設計方法的優(yōu)點微程序設

12、計方法的優(yōu)點o設計過程相對簡單，相當于把硬件設計的一部分轉化為軟件設計； o改動CPU的功能非常方便，只需修正控制存儲器中的微程序即可。 3.4 計算機的任務過程計算機的任務過程主機完成一條指令的過程主機完成一條指令的過程123567891)1)以取數(shù)指令為例以取數(shù)指令為例4CU控制控制單元單元主存儲器主存儲器MDRMAR存儲體存儲體CPUPC控制器控制器IR運算器運算器MQACCALUXI/O123567982)2)以存數(shù)指令為例以存數(shù)指令為例4CU控制控制單元單元主存儲器主存儲器MDRMAR存儲體存儲體CPUPC控制器控制器IR運算器運算器MQACCALUXI/O取取x x 至運算器中至運

13、算器中乘以乘以x x 在運算器中在運算器中乘以乘以a a 在運算器中在運算器中存存ax2 ax2 在存儲器中在存儲器中取取b b 至運算器中至運算器中乘以乘以x x 在運算器中在運算器中加加ax2 ax2 在運算器中在運算器中加加c c 在運算器中在運算器中= (ax + b)x + c = (ax + b)x + c 取取x x 至運算器中至運算器中乘以乘以a a 在運算器中在運算器中加加b b 在運算器中在運算器中乘以乘以x x 在運算器中在運算器中加加c c 在運算器中在運算器中計算計算 ax2 + bx + c3)編程舉例編程舉例4) ax2 + bx + c 程序的運轉過程程序的運轉

14、過程 將程序經過輸入設備送至計算機將程序經過輸入設備送至計算機 程序首地址程序首地址 打印結果打印結果 分析指令分析指令 取指令取指令 停機停機 啟動程序運轉啟動程序運轉,(PC )+ 1 PC,(PC )+ 1 PC 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC3.5、流水線技術、流水線技術1、流水線的根本概念、流水線的根本概念流水線的思想：每條指令的執(zhí)行都可以分為流水線的思想：每條指令的執(zhí)行都可以分為假設干個步驟。早期的假設干個步驟。早期的CPU指令是串行執(zhí)指令是串

15、行執(zhí)行的，現(xiàn)代的行的，現(xiàn)代的CPU是將這些步驟重疊執(zhí)行。是將這些步驟重疊執(zhí)行。 o無流水線無流水線CPU的執(zhí)行過程的執(zhí)行過程o3級流水線級流水線CPU的執(zhí)行過程的執(zhí)行過程n流水線：是指把一個反復的處置過程分解成流水線：是指把一個反復的處置過程分解成假設干個子處置過程，每個子過程可以與其假設干個子處置過程，每個子過程可以與其它的子過程同時進展處置。它的子過程同時進展處置。n8086CPU的流水線構造：的流水線構造： n7級流水構造：現(xiàn)代的微處置器普通采用級流水構造：現(xiàn)代的微處置器普通采用7級級流水線流水線 2、流水線的種類：、流水線的種類：指令流水線指令流水線指令分解，各步操作重疊，典型的執(zhí)行過

16、指令分解，各步操作重疊，典型的執(zhí)行過程如程如7步流水步流水數(shù)據(jù)流水線數(shù)據(jù)流水線又稱運算流水：運算步驟分解，如浮點加又稱運算流水：運算步驟分解，如浮點加法：對階法：對階尾數(shù)加尾數(shù)加規(guī)格化規(guī)格化3、流水線的問題、流水線的問題 相關：流水線中指令之間由于某種關聯(lián)使相關：流水線中指令之間由于某種關聯(lián)使流水線停頓的景象。流水線停頓的景象。控制相關控制相關 部件相關部件相關 數(shù)據(jù)相關數(shù)據(jù)相關 流水線的問題流水線的問題a)控制相關控制相關緣由：轉移指令引起的相關，需求等待轉移的條件；緣由：轉移指令引起的相關，需求等待轉移的條件；轉移指令的頻度約占轉移指令的頻度約占 指令總數(shù)的指令總數(shù)的20%。措施：措施：1

17、延遲轉移法：推遲執(zhí)行轉移假設無影響的延遲轉移法：推遲執(zhí)行轉移假設無影響的 條件下，依賴于編譯程序；條件下，依賴于編譯程序；2轉移預測法：發(fā)生轉移時直接預測一個能夠性大轉移預測法：發(fā)生轉移時直接預測一個能夠性大 的分支，繼續(xù)預取指令。需求兩個的分支，繼續(xù)預取指令。需求兩個 預取指令隊列，高性能計算機中運預取指令隊列，高性能計算機中運用。用。b)部件相關部件相關 緣由：爭用同一個部件，如存儲器；緣由：爭用同一個部件，如存儲器； 措施：停一拍措施：停一拍c)數(shù)據(jù)相關數(shù)據(jù)相關緣由緣由:后一條指令要用到前一條指令計算后的后一條指令要用到前一條指令計算后的 數(shù)據(jù)，如訪問同一個存放器或者內存單數(shù)據(jù)，如訪問同

18、一個存放器或者內存單元元措施：設置比較電路，檢查前后兩個地址能措施：設置比較電路，檢查前后兩個地址能否一樣否一樣流水線的問題流水線的問題3.6、RISC技術oCISC，復雜指令系統(tǒng)計算機(Complex Instruction Set Computer)； oRISC，簡化指令系統(tǒng)計算機(Reduced Instruction Set Computer)。 oCISC和RISC計算機的特點oCISC系統(tǒng)的問題：對復雜指令系統(tǒng)的解釋和設計導致CPU構造復雜，流水線技術不容易實現(xiàn)，提高CPU的頻率有困難。oRISC系統(tǒng)的問題：對編譯器的要求比較高，匯編程序不容易看懂。 oRISC的特點：大多數(shù)指令是單機器周期指令，指令周期 = 機器周期。 (1) 指令系統(tǒng)復雜。詳細表如今指令數(shù)多、尋指令系統(tǒng)復雜。詳細表如今指令數(shù)多、尋址方式多、指令格式多。址方式多、指令格式多。(2) 絕大多數(shù)指令需求多個時鐘周期才干執(zhí)行絕大多數(shù)指令需求多個時鐘周期才干執(zhí)行完成。完成。(3) 各種指令都可訪問存儲器。各種指令都可訪問存