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,控制部件多样化现代
2、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,00010000,地址译码器,来自CPU的地址寄
3、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
4、,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
5、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,AXBXCXDX,通用寄存器,SPBPSIDI,指针和变址,CSDSSSES,段,IPF,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
6、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,T
7、2,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，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
8、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，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 W
9、O 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CISCRISCP=N*C*SP: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,
