处理器PPT文档格式.ppt
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存器组成,是直接进行数据交换和运算的部件;
2、控制单元控制单元:
控制单元用来指挥和控制程序和数据:
控制单元用来指挥和控制程序和数据的输入、运行和处理;
的输入、运行和处理;
3、寄存器寄存器:
包括寄存器组,累加器包括寄存器组,累加器(ACC),标志寄,标志寄存器存器(FR),程序计数器,程序计数器(PC),指令寄存器,指令寄存器(IR),地址寄存器,地址寄存器(AR),数据缓冲寄存器,数据缓冲寄存器(DR);
4、协处理器协处理器。
三、冯三、冯.诺伊曼结构的演化诺伊曼结构的演化1、控制部件设计的多样化、控制部件设计的多样化a)逻辑电路设计实现;
逻辑电路设计实现;
b)微程序设计实现。
微程序设计实现。
2、采用总线结构、采用总线结构3、以存储器为中心、以存储器为中心4、输入、输入/输出系统功能的加强输出系统功能的加强2、计算机的系统总线结构、计算机的系统总线结构总线总线:
是连接各部件的一组公共信号线,传送信号:
是连接各部件的一组公共信号线,传送信号和代码的公共通道。
和代码的公共通道。
系统总线的分类:
1.数据总线数据总线:
用来传输各功能部件之间的数据信息,:
用来传输各功能部件之间的数据信息,是双向传输总线,位数与机器字长有关;
是双向传输总线,位数与机器字长有关;
2.地址总线地址总线:
用来指出数据总线上的源数据或目的数:
用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存中的地址,是单向传输总线,地址总线的据在主存中的地址,是单向传输总线,地址总线的个数与存储器单元的数量有关,称为寻址能力;
个数与存储器单元的数量有关,称为寻址能力;
3.控制总线控制总线:
用来发出各种控制信号的传输线,每一:
用来发出各种控制信号的传输线,每一根控制总线是单向的。
根控制总线是单向的。
3、存储器、存储器n现代计算机已经从以运算器为中心转化为以存现代计算机已经从以运算器为中心转化为以存储器为中心;
储器为中心;
n存储器用来存放数据和程序;
存储器用来存放数据和程序;
n主存储器可以分为随机存储器主存储器可以分为随机存储器(RAM)和只读存和只读存储器储器(ROM);
nCPU每一次只能对存储器中的一个存储单元进每一次只能对存储器中的一个存储单元进行读操作或写操作。
行读操作或写操作。
3.2指令系统指令系统一、指令系统的基本概念一、指令系统的基本概念n机器指令机器指令:
命令机器做某种操作的一条语句称:
命令机器做某种操作的一条语句称为一个机器指令;
为一个机器指令;
n指令系统指令系统:
全部机器指令的集合称为指令系统。
:
二、指令格式二、指令格式o操作码操作码:
是一条指令的操作类型或作用;
o操作数操作数:
代表需要处理的数,或参与操作数的地:
代表需要处理的数,或参与操作数的地址。
址。
三、指令系统实例三、指令系统实例操作码操作码意义意义助记符助记符00H加,加,A+NUMAADDA,NUM(数字数字)01H减,减,ANUMASUBA,(ADDR)02H乘,乘,A*ADDR存储单元中的数据存储单元中的数据AMULA,(ADDR)03H除,除,A/ADDR存储单元中的数据存储单元中的数据ADIVA,(ADDR)04H逻辑与,逻辑与,AandNUMAANDA,NUM05H取数,将一个数取到取数,将一个数取到A中中LDA,NUM06H存数,将存数,将A中的数保存到中的数保存到ADDR存储单元存储单元中中MOV(ADDR),A07H停机停机STOP3.3中央处理器中央处理器(CPU)一、一、CPU的基本结构的基本结构二、二、CPU的基本操作的基本操作三、三、CPU的控制器和机器时钟的控制器和机器时钟一、一、CPU的基本结构的基本结构1、数的存储:
、数的存储:
寄存器、锁存器、存储器寄存器、锁存器、存储器2、累加器累加器ACC:
运算之前保存一个操作数,运算:
运算之前保存一个操作数,运算之后保存运算结果,之后保存运算结果,CPU中可以有一个或多个累中可以有一个或多个累加器;
加器;
3、通用寄存器组通用寄存器组:
可以用来保存数据,也可以参与:
可以用来保存数据,也可以参与计算,存取速度非常快,但一般数量不多;
计算,存取速度非常快,但一般数量不多;
4、标志寄存器标志寄存器:
用来记录:
用来记录CPU当前运行的一些状态,当前运行的一些状态,如加减法的进位,溢出,计算结果的正负,运算如加减法的进位,溢出,计算结果的正负,运算结果是否为结果是否为0等等;
等等;
5、程序计数器程序计数器PC:
存放下一条要执行的指令的地:
存放下一条要执行的指令的地址码;
址码;
6、地址寄存器地址寄存器AR:
与地址总线相连,给出操作内:
与地址总线相连,给出操作内存单元的地址;
存单元的地址;
7、指令寄存器指令寄存器IR:
保存取出的指令码;
8、数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器DR:
与数据总线相连,保存要:
与数据总线相连,保存要写入内存的数据或从内存中读出的数据;
写入内存的数据或从内存中读出的数据;
9、指令译码器指令译码器:
解释指令码的意义。
二、二、CPU的基本操作的基本操作1、取指令、取指令2、读数据、读数据3、写数据、写数据o取指令取指令1、PC地址地址地址地址寄存器寄存器地址总线地址总线2、控制单元、控制单元读读信号信号3、数据总线、数据总线数数据缓冲寄存器据缓冲寄存器指指令寄存器令寄存器译码器译码器操作单元操作单元4、PC地址地址+1o读数据读数据1、地址码、地址码地址地址寄存器寄存器地址总线地址总线2、CU读信号读信号3、数据总线、数据总线数数据缓冲寄存器据缓冲寄存器ACCo写数据写数据1、地址码、地址码地址地址寄存器寄存器地址总线地址总线2、ACC数据缓数据缓冲寄存器冲寄存器数据总数据总线线3、CU写信号写信号三、三、CPU的控制器和机器时钟的控制器和机器时钟o时序时序:
正确执行一条指令时,为该条指令中的每:
正确执行一条指令时,为该条指令中的每个微操作所安排的时间表称为时序。
个微操作所安排的时间表称为时序。
o时钟周期时钟周期:
一个时钟信号的周期称为时钟周期;
o机器周期机器周期:
CPU完成一个基本操作所需要的时间完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期;
称为机器周期;
o指令周期指令周期:
CPU完成一条指令所需要的时间称为完成一条指令所需要的时间称为指令周期。
指令周期。
3.4CPU控制器的设计问题控制器的设计问题一、一、CPU控制器的设计方法控制器的设计方法二、流水线技术二、流水线技术三、三、RISC技术技术一、一、CPU控制器的设计方法控制器的设计方法1.数字逻辑设计方法数字逻辑设计方法2.微程序设计方法微程序设计方法1、数字逻辑设计方法、数字逻辑设计方法数字逻辑方法的设计步骤数字逻辑方法的设计步骤1.分解指令为若干个微操作;
分解指令为若干个微操作;
2.将各微操作对应到指令周期的不同时钟中去;
将各微操作对应到指令周期的不同时钟中去;
3.采用普通的逻辑电路设计方法,设计出操作控采用普通的逻辑电路设计方法,设计出操作控制线路;
制线路;
4.每个控制线路的输出是一个微操作控制信号,每个控制线路的输出是一个微操作控制信号,用来实现对机器的控制。
用来实现对机器的控制。
数字逻辑设计方法的缺点数字逻辑设计方法的缺点1.设计过程复杂,各条指令之间的微操作有许多设计过程复杂,各条指令之间的微操作有许多是相同的;
是相同的;
2.CPU一经设计好,很难改变功能。
一经设计好,很难改变功能。
2、微程序设计方法、微程序设计方法微程序设计方法的优点微程序设计方法的优点1.设计过程相对简单,相当于把硬件设计的一部设计过程相对简单,相当于把硬件设计的一部分转化为软件设计;
分转化为软件设计;
2.改变改变CPU的功能非常方便,只需修改控制存储的功能非常方便,只需修改控制存储器中的微程序即可。
器中的微程序即可。
二、流水线技术二、流水线技术1、流水线的基本概念、流水线的基本概念a)流水线的思想流水线的思想:
每条指令的执行都可以分为:
每条指令的执行都可以分为若干个步骤。
早期的若干个步骤。
早期的CPU指令是串行执行的,指令是串行执行的,现代的现代的CPU是将这些步骤重叠执行。
是将这些步骤重叠执行。
o无流水线无流水线CPU的执行过程的执行过程o3级流水线级流水线CPU的执行过程的执行过程b)流水线流水线:
是指把一个重复的处理过程分解成:
是指把一个重复的处理过程分解成若干个子处理过程,每个子过程可以与其它若干个子处理过程,每个子过程可以与其它的子过程同时进行处理。
的子过程同时进行处理。
c)8086CPU的流水线结构的流水线结构:
d)7级流水结构级流水结构:
现代的微处理器一般采用:
现代的微处理器一般采用7级级流水线流水线2、流水线的种类:
、流水线的种类:
a)指令流水线指令流水线b)数据流水线数据流水线3、流水线的问题、流水线的问题a)控制相关控制相关b)部件相关部件相关c)数据相关数据相关三、三、RISC技术技术oCISC,复杂指令系统计算机,复杂指令系统计算机(ComplexInstructionSetComputer);
oRISC,简化指令系统计算机,简化指令系统计算机(ReducedInstructionSetComputer)。
oCISC和和RISC计算机的特点计算机的特点nCISC系统的问题系统的问题:
对复杂指令系统的解释和:
对复杂指令系统的解释和设计导致设计导致CPU结构复杂,流水线技术不容易实结构复杂,流水线技术不容易实现,提高现,提高CPU的频率有困难。
的频率有困难。
nRISC系统的问题系统的问题:
对编译器的要求比较高,:
对编译器的要求比较高,汇编程序不容易看懂。
汇编程序不容易看懂。
nRISC的特点的特点:
大多数指令是单机器周期指令,:
大多数指令是单机器周期指令,指令周期指令周期=机器周期。
机器周期。
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