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计算机组成原理及汇编语言 （第5章）,主讲教师：曹雪梅 授课班级：09铁路通信信号（高职） 2010年11月17日,呼和浩特职业学院教案首页,CPU的功能和结构 指令的执行过程和指令周期 时序信号产生器和控制方式 微程序设计技术和微程序控制器的基本概念 CPU的基本常识及Intel系列的CPU,第5章 中央处理器CPU,【本章主要内容】,导论,计算机的工作原理,存储程序和程序控制,（1）编程 （2）通过输入设备送存储器 （3）计算机工作时是按一定的序列逐条 取出指令、分析指令和执行指令 并自动转到下一条指令执行， 直到程序规定的任务完成。,由CPU来完成,一、CPU的功能和结构,1.CPU的定义,用来完成自动取出指令和执行指令任务的计算机部件称为中央处理器，简称CPU。,2.CPU的功能,（1）指令控制 （2）操作控制 （3）时间控制 （4）数据加工,控制程序严格按照规定的顺序执行,控制相应部件严格按照指令的要求进行操作,控制各种操作的执行时间,对数据进行算术运算和逻辑运算,3.CPU的基本结构及功能,（1）基本组成,控制器 运算器,（控制部件）,（执行部件）,（2）控制器的组成和功能,功能,取出指令 分析指令 执行指令,从内存中取出当前的指令，并产生下一条 指令在内存中的地址,产生相应的控制信号，形成操作的有效地址,完成指令规定的操作,对异常情况和某些请求做好处理,控制器的组成部件及其作用,程序计数器（PC） 指令寄存器（IR） 地址寄存器（AR） 指令译码器（ID） 时序产生器 操作控制器,用来指示当前CPU正在执行的指令在内存 中的单元地址；并立即修改。,用来存放当前正在执行的指令代码,用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址,对指令中的操作码字段进行分析解释， 识别指令规定的操作，发出控制信号,定时的作用,根据指令译码器的控制信号，在时序信号 的指挥下，发出各种操作控制信号，完成 指令规定的操作,操作控制器是CPU的核心部件 操作控制器根据设计方法的不同，可以分为,（2）运算器的组成和功能,功能,完成算术运算和逻辑运算,组成部件及其作用,算术逻辑单元（ALU） 累加存储器（AC） 数据缓冲寄存器（DR） 状态条件寄存器（PSW）,进行数据处理,为ALU提供一个工作区，即存放 运算结果，简称累加器,缓冲作用；中转站作用；兼做寄存器 （P154）,保存运算结果建立的各种标志,CPU主要组成部件逻辑图（P152 图5.1.1）,【结论】,CPU是由控制器和运算器组成的。控制器控制计算 机的运行，运算器完成对操作数据的加工处理。 CPU正常工作必须包含的部件：多个通用寄存器， 用来保存CPU运行时所需的各类数据信息或运行状态信 息；算术逻辑单元，对寄存器中的数据进行加工处理； 操作控制器，产生各种操作控制信号，以便在各寄存器 之间建立数据通路；时序产生器，对各种控制信号进行 定时，以便就想时间上的约束。（P155）,二、指令的执行过程和指令周期,1.指令的执行过程,（1）取出指令,（2）分析指令,（3）执行指令,通过ID译出IR中指令各字段的操作， 产生对应每一个操作的微操作命令序列,取操作数执行操作形成下一条指令地址,问题,指令和数据在计算机内部均以二进制代码的形式存放在内存中。计算机是如何从时间和空间上区别它们是指令还是数据的？,【解答】（1）在时间上， 取指令事件发生在“取指周期” 取数据事件发生在“执行周期” （2）在空间上， 从内存中读出的指令流流向IR 从内存中读出的数据流流向DR,2.指令周期的概念,（1）指令周期,就是指从取出指令到执行完这条指令所需要的时间,（2）不同的指令，它的指令周期显然是不一样的,为了统一标准将指令周期划分为若干个CPU周期,也称机器周期，是指从内存中读取一个指令字的最短时间，即取指为一个CPU周期,（3）一个CPU周期由若干时钟周期组成,也称节拍脉冲，或T周期,例：P157162,【结论】（1）所有指令的取指都是一个CPU周期 （2）指令执行所需要的CPU周期是不尽相同的,三、时序信号产生器和控制方式,1.时序信号的作用,时间标志。即给计算机各部件工作进行定时控制,时序部件实际上就是计算机的机内时钟，时 序信号是它的单位时间。,2.时序信号产生器,（1）功能：,就是用逻辑电路来实现控制时序，产生 指令周期控制时序信号。,（2）控制方式,同步控制方式,是指在任何情况下，给定指令在执行时所 需的CPU周期数和时钟周期都是固定不变的。 以最复杂指令所需的时间为准。,优点：设计简单，操作控制容易实现 缺点：效率低,异步控制方式,满足每条指令在执行时所需的CPU周期，但每条指令 执行完毕后，都必须向时序控制部件发回一个应答信号。 控制器收到该信号后，才开始下一条指令的执行。,优点：指令的执行效率高 缺点：控制线路比较复杂,联合控制方式,以上两种方法的结合，区分不同的指令,在功能部件内部采用同步式 在功能部件之间采用异步式,作业,1.P197 5.1 名词解释 （1）中央处理器（2）指令周期 （3）操作控制器（4）机器周期 5.2 填空（1）（4） 5.3，5.4，5.5,呼和浩特职业学院教案首页,回顾上一讲内容,1.CPU的定义,自动完成取出指令、执行指令任务的部件,1.CPU的定义,2.CPU的功能,指令控制、操作控制、时间控制、数据加工,3.CPU的组成,运算器和控制器,4.控制器的组成,PC、IR、ID、AR以及操作控制器和时序产生器,7.运算器的组成,ALU、AC、DR以及PSW,6.操作控制器种类,硬布线控制器、门阵列控制器、微程序控制器,8.指令周期；机器周期；时钟周期；,5.操作控制器的定义,产生各种控制操作信号，完成指令执行,9.时序信号的控制方式,同步、异步、联合,四、微程序设计技术和微程序控制器,（一）微程序设计技术,微程序控制设计技术是利用软件方法进行硬件设计的一门技术。,微程序控制的基本思想就是按照通常的设计解题思路，把控制信号编写成微指令存放在一个只读存储器中。,1.微程序设计的基本概念,（1）微命令,控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令,（2）微操作,执行部件按照微命令完成一系列的最基本操作,（3）微指令,一组实现一定操作功能的微命令的组合,（4）微程序,一系列相关的微指令的集合,每个CPU周期基本上就对应于一条微指令,微 操 作,（5）控制存储器,存放微程序的存储器。（用ROM来实现）,【结论】执行一条指令实际上就是执行一段存放在 控制存储器中的微程序。,2.微指令的基本结构,用来发出管理和指挥全机工作的控制信号,用来决定产生下一条微指令的地址,例：P170 图5.4.2,3.微程序设计技术,关键是微指令的结构,微指令的结构大体分为两类：,一次能定义并执行多个并行操作微命令,采用微操作码编译法来规定微指令的功能,两类指令的比较：（P175）,（二）微程序控制器,1.组成及功能,用来存放实现全部指令系统的微程序,用来存放由控制存储器读出的一条微指令,自动完成修改微地址，产生下一条微指令,2.在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般 采用节拍电位节拍脉冲二级体制,对应一个CPU周期的时间,对应一个时钟周期的时间,五、硬布线控制器和门阵列控制器（P180185）,六、CPU的基本常识及Intel系列的CPU,1.CPU的基本常识（P185186）,2.Intel系列CPU简介（P187189）,七、CPU新技术,1.流水CPU,并行工作,2.RISC CPU（精简指令计算机）,简化了指令系统，从而使处理器的结构更加简单、更加合理，具有更高的性能和执行效率，并降低处理器的开发成本,3.多媒体CPU,MMX: 是MultiMedia eXtensions(多媒体扩展)的缩写，是第六代CPU芯片的重要特点。MMX技术是在CPU中加入了特地为视频信号(Video Signal)，音频信号(Audio Signal)以及图像处理(Graphical Manipulation)而设计的57条指令，因此，MMX CPU极大地提高了电脑的多媒体(如立体声、视频、三维动画等)处理功能。 除了指令集中增加MMX指令(多媒体增强指令集)外，还将CPU芯片内的L1缓存由原来的16KB增加到32KB（16K指令+16K数据），因此MMX CPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时，处理多媒体的能力上提高了60左右。目前CPU基本都具备MMX技术,作业,1.P197 5.1 名词解释 （1）微指令（2）微程序 5.2 填空（5）（9） 5.11,呼和浩特职业学院教案首页,外围设备概述 显示设备 输入设备与打印设备 磁盘子系统,第9章 常见外围设备及其应用,【本章主要内容】,一、外围设备概述,1.定义：计算机系统中主机以外的硬设备,是计算机系统的重要组成部分，简称为外设 也称为输入输出设备（或I/O设备）,2.重要性,（1）计算机与外界交换信息的唯一途径 （2）实现了多种媒体数据与二进制之间的转换 （3）满足人们对高速度大容量数据的要求,3.发展趋势,智能化、微型化、功能复合化、高可靠性,其结构逐渐趋于模块化，同时采用各种自检、诊 断、容错技术使得外部设备的使用越来越方便和可靠。,4.常见的外部设备（P298 图9.1.1）,二、显示设备,1.显示技术中的有关术语,（3）像素：在显示器上，图形和图像都是由 光点组成的，光点称为像素。,（1）图形：是指没有亮暗层次变化的线条图 如电路图、工程设计图等,（2）图像：是指具有亮暗层次变化的图片 如照片、自然景物等,（4）分辨率：是指显示器所能表示的像素个数。,像素越密，分辨率越高，图像越清晰。分辨率取决于显像管荧光粉的粒度、荧光屏的尺寸和CRT电子束的聚焦能力。,（5）灰度级：是指黑白显示器中所显示的像素的 亮暗差别，在彩色显示器中则表现 为颜色的不同。,灰度级灰度级越多，图像层次月清楚逼真。,分辨率和灰度级是显示器的两个重要指标,（6）刷新：为了使人眼能看到稳定的图像，就必须 在图像消失之前使电子束不断地重复扫 描整个屏幕。这个过程称为刷新。,每秒刷新的次数称为刷新频率或扫描频率,一般30次/秒,（7）刷新存储器：为了不断提供刷新图像的信号，必 须把图像存储起来。存储图像的存 储器称为刷新存储器。,存储器的容量由分辨率和灰度级决定。 如分辨率为512512，256级灰度的图像，其容量为256KB 即5125128/8=2929=218=28KB=256KB,电子束在荧光屏上按某种轨迹运动称为扫描,扫描方式有两种：随机扫描和光栅扫描,（8）随机扫描：是电子束只在需要作图的地方扫描,特点：画图速度快，图像清晰,（9）光栅扫描：是电视系统中采用的扫描方式。 电子束要扫描整个屏幕。,特点：从上至下顺序扫描，分逐行扫描和隔行扫描,2.显示器分类,（1）按照现实颜色的不同分,（2）按照显示器件的不同分,显示卡（简称显卡）完成CPU与显示器的连接,三、输入设备与打印设备,1.输入设备,必备的输入设备，没有，计算机不正常启动,利用键盘可以完成鼠标器的所有功能,（手写板）,（摄像机和数码相机）,（扫描仪）,2.打印设备,四、磁盘,磁盘的记录方式和相关术语,数据存储在磁盘上时是记录在磁盘的同心圆上的,磁道,磁道从外圈向里圈依次编号，0开始,每个磁道被格式化为相同字节的扇区,硬盘由若干个盘片所组成 每一个盘面上同一编号的磁道组成柱面,闪速存储器被称为固态盘,答：闪速存储器是高密度、非易失性的读写 半导体存储器，从原理上看，它属于ROM， 但是它又可随机改写信息；从功能上看， 它又相当于RAM，所以传统ROM与RAM的定 义和划分已经失去意义。因而它是一种全 新的存储器技术。,什么是闪速存储器？它有哪些特点？,五、光盘,光盘存储器的种类,