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計(jì)算機(jī)組成原理及匯編語(yǔ)言 （第5章）,主講教師：曹雪梅 授課班級(jí)：09鐵路通信信號(hào)（高職） 2010年11月17日,呼和浩特職業(yè)學(xué)院教案首頁(yè),CPU的功能和結(jié)構(gòu) 指令的執(zhí)行過(guò)程和指令周期 時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器和控制方式 微程序設(shè)計(jì)技術(shù)和微程序控制器的基本概念 CPU的基本常識(shí)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(jì)算機(jī)的工作原理,存儲(chǔ)程序和程序控制,（1）編程 （2）通過(guò)輸入設(shè)備送存儲(chǔ)器 （3）計(jì)算機(jī)工作時(shí)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(dòng)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(lái)完成,一、CPU的功能和結(jié)構(gòu),1.CPU的定義,用來(lái)完成自動(dòng)取出指令和執(zhí)行指令任務(wù)的計(jì)算機(jī)部件稱(chēng)為中央處理器，簡(jiǎn)稱(chēng)CPU。,2.CPU的功能,（1）指令控制 （2）操作控制 （3）時(shí)間控制 （4）數(shù)據(jù)加工,控制程序嚴(yán)格按照規(guī)定的順序執(zhí)行,控制相應(yīng)部件嚴(yán)格按照指令的要求進(jìn)行操作,控制各種操作的執(zhí)行時(shí)間,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算,3.CPU的基本結(jié)構(gòu)及功能,（1）基本組成,控制器 運(yùn)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(dāng)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(hào)，形成操作的有效地址,完成指令規(guī)定的操作,對(duì)異常情況和某些請(qǐng)求做好處理,控制器的組成部件及其作用,程序計(jì)數(shù)器（PC） 指令寄存器（IR） 地址寄存器（AR） 指令譯碼器（ID） 時(shí)序產(chǎn)生器 操作控制器,用來(lái)指示當(dāng)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(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令代碼,用來(lái)保存當(dāng)前CPU所訪問(wèn)的內(nèi)存單元的地址,對(duì)指令中的操作碼字段進(jìn)行分析解釋?zhuān)?識(shí)別指令規(guī)定的操作，發(fā)出控制信號(hào),定時(shí)的作用,根據(jù)指令譯碼器的控制信號(hào)，在時(shí)序信號(hào) 的指揮下，發(fā)出各種操作控制信號(hào)，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(jì)方法的不同，可以分為,（2）運(yùn)算器的組成和功能,功能,完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算,組成部件及其作用,算術(shù)邏輯單元（ALU） 累加存儲(chǔ)器（AC） 數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR） 狀態(tài)條件寄存器（PSW）,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,為ALU提供一個(gè)工作區(qū)，即存放 運(yùn)算結(jié)果，簡(jiǎn)稱(chēng)累加器,緩沖作用；中轉(zhuǎn)站作用；兼做寄存器 （P154）,保存運(yùn)算結(jié)果建立的各種標(biāo)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(yùn)算器組成的?？刂破骺刂朴?jì)算 機(jī)的運(yùn)行，運(yùn)算器完成對(duì)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(gè)通用寄存器， 用來(lái)保存CPU運(yùn)行時(shí)所需的各類(lèi)數(shù)據(jù)信息或運(yùn)行狀態(tài)信 息；算術(shù)邏輯單元，對(duì)寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理； 操作控制器，產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)，以便在各寄存器 之間建立數(shù)據(jù)通路；時(shí)序產(chǎn)生器，對(duì)各種控制信號(hào)進(jìn)行 定時(shí)，以便就想時(shí)間上的約束。（P155）,二、指令的執(zhí)行過(guò)程和指令周期,1.指令的執(zhí)行過(guò)程,（1）取出指令,（2）分析指令,（3）執(zhí)行指令,通過(guò)ID譯出IR中指令各字段的操作， 產(chǎn)生對(duì)應(yīng)每一個(gè)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(wèn)題,指令和數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部均以二進(jìn)制代碼的形式存放在內(nèi)存中。計(jì)算機(jī)是如何從時(shí)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(shí)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,就是指從取出指令到執(zhí)行完這條指令所需要的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)將指令周期劃分為若干個(gè)CPU周期,也稱(chēng)機(jī)器周期，是指從內(nèi)存中讀取一個(gè)指令字的最短時(shí)間，即取指為一個(gè)CPU周期,（3）一個(gè)CPU周期由若干時(shí)鐘周期組成,也稱(chēng)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(gè)CPU周期 （2）指令執(zhí)行所需要的CPU周期是不盡相同的,三、時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器和控制方式,1.時(shí)序信號(hào)的作用,時(shí)間標(biāo)志。即給計(jì)算機(jī)各部件工作進(jìn)行定時(shí)控制,時(shí)序部件實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)的機(jī)內(nèi)時(shí)鐘，時(shí) 序信號(hào)是它的單位時(shí)間。,2.時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器,（1）功能：,就是用邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制時(shí)序，產(chǎn)生 指令周期控制時(shí)序信號(hào)。,（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(shí)所 需的CPU周期數(shù)和時(shí)鐘周期都是固定不變的。 以最復(fù)雜指令所需的時(shí)間為準(zhǔn)。,優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作控制容易實(shí)現(xiàn) 缺點(diǎn)：效率低,異步控制方式,滿足每條指令在執(zhí)行時(shí)所需的CPU周期，但每條指令 執(zhí)行完畢后，都必須向時(shí)序控制部件發(fā)回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。 控制器收到該信號(hào)后，才開(kāi)始下一條指令的執(zhí)行。,優(yōu)點(diǎn)：指令的執(zhí)行效率高 缺點(diǎn)：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 （3）操作控制器（4）機(jī)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(yè),回顧上一講內(nèi)容,1.CPU的定義,自動(dòng)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(shí)間控制、數(shù)據(jù)加工,3.CPU的組成,運(yùn)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(shí)序產(chǎn)生器,7.運(yùn)算器的組成,ALU、AC、DR以及PSW,6.操作控制器種類(lèi),硬布線控制器、門(mén)陣列控制器、微程序控制器,8.指令周期；機(jī)器周期；時(shí)鐘周期；,5.操作控制器的定義,產(chǎn)生各種控制操作信號(hào)，完成指令執(zhí)行,9.時(shí)序信號(hào)的控制方式,同步、異步、聯(lián)合,四、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)和微程序控制器,（一）微程序設(shè)計(jì)技術(shù),微程序控制設(shè)計(jì)技術(shù)是利用軟件方法進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的一門(mén)技術(shù)。,微程序控制的基本思想就是按照通常的設(shè)計(jì)解題思路，把控制信號(hào)編寫(xiě)成微指令存放在一個(gè)只讀存儲(chǔ)器中。,1.微程序設(shè)計(jì)的基本概念,（1）微命令,控制部件通過(guò)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(shí)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(gè)CPU周期基本上就對(duì)應(yīng)于一條微指令,微 操 作,（5）控制存儲(chǔ)器,存放微程序的存儲(chǔ)器。（用ROM來(lái)實(shí)現(xiàn)）,【結(jié)論】執(zhí)行一條指令實(shí)際上就是執(zhí)行一段存放在 控制存儲(chǔ)器中的微程序。,2.微指令的基本結(jié)構(gòu),用來(lái)發(fā)出管理和指揮全機(jī)工作的控制信號(hào),用來(lái)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(jì)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(lèi)：,一次能定義并執(zhí)行多個(gè)并行操作微命令,采用微操作碼編譯法來(lái)規(guī)定微指令的功能,兩類(lèi)指令的比較：（P175）,（二）微程序控制器,1.組成及功能,用來(lái)存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序,用來(lái)存放由控制存儲(chǔ)器讀出的一條微指令,自動(dòng)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(shí)序信號(hào)比較簡(jiǎn)單，一般 采用節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖二級(jí)體制,對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU周期的時(shí)間,對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間,五、硬布線控制器和門(mén)陣列控制器（P180185）,六、CPU的基本常識(shí)及Intel系列的CPU,1.CPU的基本常識(shí)（P185186）,2.Intel系列CPU簡(jiǎn)介（P187189）,七、CPU新技術(shù),1.流水CPU,并行工作,2.RISC CPU（精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)）,簡(jiǎn)化了指令系統(tǒng)，從而使處理器的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)成本,3.多媒體CPU,MMX: 是MultiMedia eXtensions(多媒體擴(kuò)展)的縮寫(xiě)，是第六代CPU芯片的重要特點(diǎn)。MMX技術(shù)是在CPU中加入了特地為視頻信號(hào)(Video Signal)，音頻信號(hào)(Audio Signal)以及圖像處理(Graphical Manipulation)而設(shè)計(jì)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(dòng)畫(huà)等)處理功能。 除了指令集中增加MMX指令(多媒體增強(qiáng)指令集)外，還將CPU芯片內(nèi)的L1緩存由原來(lái)的16KB增加到32KB（16K指令+16K數(shù)據(jù)），因此MMX CPU比普通CPU在運(yùn)行含有MMX指令的程序時(shí)，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(yè),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(pán)子系統(tǒng),第9章 常見(jiàn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中主機(jī)以外的硬設(shè)備,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，簡(jiǎn)稱(chēng)為外設(shè) 也稱(chēng)為輸入輸出設(shè)備（或I/O設(shè)備）,2.重要性,（1）計(jì)算機(jī)與外界交換信息的唯一途徑 （2）實(shí)現(xiàn)了多種媒體數(shù)據(jù)與二進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換 （3）滿足人們對(duì)高速度大容量數(shù)據(jù)的要求,3.發(fā)展趨勢(shì),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(shí)采用各種自檢、診 斷、容錯(cuò)技術(shù)使得外部設(shè)備的使用越來(lái)越方便和可靠。,4.常見(jiàn)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(yǔ),（3）像素：在顯示器上，圖形和圖像都是由 光點(diǎn)組成的，光點(diǎn)稱(chēng)為像素。,（1）圖形：是指沒(méi)有亮暗層次變化的線條圖 如電路圖、工程設(shè)計(jì)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(gè)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(jí)：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(jí)灰度級(jí)越多，圖像層次月清楚逼真。,分辨率和灰度級(jí)是顯示器的兩個(gè)重要指標(biāo),（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(gè)屏幕。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為刷新。,每秒刷新的次數(shù)稱(chēng)為刷新頻率或掃描頻率,一般30次/秒,（7）刷新存儲(chǔ)器：為了不斷提供刷新圖像的信號(hào)，必 須把圖像存儲(chǔ)起來(lái)。存儲(chǔ)圖像的存 儲(chǔ)器稱(chēng)為刷新存儲(chǔ)器。,存儲(chǔ)器的容量由分辨率和灰度級(jí)決定。 如分辨率為512512，256級(jí)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(yùn)動(dòng)稱(chēng)為掃描,掃描方式有兩種：隨機(jī)掃描和光柵掃描,（8）隨機(jī)掃描：是電子束只在需要作圖的地方掃描,特點(diǎn)：畫(huà)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(gè)屏幕。,特點(diǎn)：從上至下順序掃描，分逐行掃描和隔行掃描,2.顯示器分類(lèi),（1）按照現(xiàn)實(shí)顏色的不同分,（2）按照顯示器件的不同分,顯示卡（簡(jiǎn)稱(chēng)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(méi)有，計(jì)算機(jī)不正常啟動(dòng),利用鍵盤(pán)可以完成鼠標(biāo)器的所有功能,（手寫(xiě)板）,（攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)）,（掃描儀）,2.打印設(shè)備,四、磁盤(pán),磁盤(pán)的記錄方式和相關(guān)術(shù)語(yǔ),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤(pán)上時(shí)是記錄在磁盤(pán)的同心圓上的,磁道,磁道從外圈向里圈依次編號(hào)，0開(kāi)始,每個(gè)磁道被格式化為相同字節(jié)的扇區(qū),硬盤(pán)由若干個(gè)盤(pán)片所組成 每一個(gè)盤(pán)面上同一編號(hào)的磁道組成柱面,閃速存儲(chǔ)器被稱(chēng)為固態(tài)盤(pán),答：閃速存儲(chǔ)器是高密度、非易失性的讀寫(xiě) 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，從原理上看，它屬于ROM， 但是它又可隨機(jī)改寫(xiě)信息；從功能上看， 它又相當(dāng)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(chǔ)器技術(shù)。,什么是閃速存儲(chǔ)器？它有哪些特點(diǎn)？,五、光盤(pán),光盤(pán)存儲(chǔ)器的種類(lèi),