第三章计算机原理与操作系统复习课程

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1、第三章：计算机主机的工作原理,CPU的组成及工作原理 存储器及存储器的工作原理 总线,3.1 CPU的组成及工作原理,CPU概念：中央处理器(CPU :Central Processing Unit)是整个计算机的核心。 传统的CPU组成：运算器、控制器。（在诺曼机的定义中） 现代的CPU的基本部分有：运算器、Cache和控制器。 CPU 是控制并执行指令的部件，该部件不仅要与计算机的其它功能部件进行信息交换，还要控制它们的操作。,CPU的基本功能： 1、能够进行算术运算和逻辑运算； 2、能对指令进行译码、寄存并执行指令所规定的操作； 3、具有与存储器和I/O接口进行数据通信的能力； 4、少量

2、数据的暂存； 5、能够提供系统所需的定时和控制信号； 6、能够响应输入输出设备发出的中断请求。,一条指令在微处理器中执行的过程如下： 1、程序计数器PC指出当前指令地址，并且把指令地址放到地址总线上，然后为取下一条指令做好准备。 2、由数据总线将指令从存储器中取出，送至寄存器，经指令译码，控制电路产生完成该指令的各种控制信号。 3、取出该指令所需的操作数地址和数据 4、完成该指令的操作。 5、检查有无其它控制信号，并作出相应处理。 6、提供指示处理器状态的标志信号、控制信号及定时信号等。,1、算术逻辑运算部件ALU,数据来源： 内部寄存器、外部数据总线（存储器） 主要功能： 1、执行各种算术运

3、算，给出相应的标志位； 2、执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试。 通常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判决。,完成算术逻辑操作的有关部件（运算器）,为什么要设置暂存器和锁存器 1）暂存器 如果是一个操作数，用累加器就能解决，两个操作数就必须将别一个暂存到暂存器。 2）锁存器 ALU本身没有寄存功能，其结果会马上占用内部总线。如何将累加器的结果保存下来，又不再反馈到ALU的输入端，所以设置了锁存器。,标志寄存器F 又称为状态寄存器，用来保存算术或逻辑运算的状态，如运算结果进位标志(Carry)、溢出标志(Overflow) 、零标志(Zero) 、奇偶性标志(Parity)

4、 、符号标志(Sign)等等。,2、控制部件,控制部件的作用是控制程序的执行，是整个系统的指挥中心，必须具备如下基本功能： 指令控制：计算机的工作过程就是连续执行指令的过程。指令在存储器中是连续存放的，按照顺序一条条取出执行。控制器要根据指令所在的地址取出指令，分析指令。 操作控制：管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。,时序控制：对各种操作实施时间上的定时，称为时序控制。 数据加工：所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。,控制器内部主要由以下几个部分组成：,程序计数器PC(program counter):

5、用来存放下一条要执行的指令在存储器中的地址。 指令寄存器IR(instruction register):用来存放从存储器中取出的待执行的指令。 指令译码器ID（instruction decoder):对指令进行“翻译”，确定要进行什么样的操作。 控制电路:根据分析，发出控制信号，完成该指令的所有操作。,3、寄存器部件,寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的原始数据、中间结果、最终结果以及控制、状态信息的，分为通用寄存器和专用寄存器两大类。 通用寄存器和专用寄存器 1）通用寄存器 用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。现代计算机中为了减少访问存储器的次数，

6、提高运算速度，往往设置大量的通用寄存器。通用寄存器一般可以由CPU直接访问。,2）专用寄存器 专门用来完成某一特殊功能寄存器。 它们是：指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、缓冲寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、状态条件寄存器（PSW）。,采用多寄存器结构的目的 1）可补偿采用单总线的速度损失 2）可实现取指令和执行指令的并行操作 3）可以保存中间结果 4）给编程带来灵活性,堆栈和堆栈指针 1）设置堆栈的目的 调用子程序和中断处理时，要保存现场信息，如中间结查、标志等。子程序或中断处理结束后要恢复现场信息，为此在内存中需要专门开辟一专用空间来保存上述信息，此谓堆栈。那为

7、什么要设这个堆栈呢：原因很简单：如果要存放一批数据，每一个数据都需要记住其所在的地址单元，比较麻烦。如果规定数据一定是一个接一个地存放，那么只要知道第一个数据所在的单元地址就可以了,2）堆栈的工作方式 堆栈就是这样一种数据结构。它是在内存中开辟一个存储区域，数据一个一个顺序地存入（也就是“压入push”）这个区域之中。有一个地址指针总指向最后一个压入堆栈的数据所在的数据单元，存放这个地址指针的寄存器就叫做堆栈指示器。开始放入数据的单元叫做“栈底”。数据一个一个地存入，这个过程叫做“压栈”。在压栈的过程中，每有一个数据压入堆栈，就放在和前一个单元相连的后面一个单元中，堆栈指示器中的地址自动加1。

8、读取这些数据时，按照堆栈指示器中的地址读取数据，堆栈指示器中的地址数自动减 1。这个过程叫做“弹出pop”。如此就实现了后进先出的原则。 栈：后进先出(Last-In/First-Out),CPU的工作流程 CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作的结束。,二、8

9、086CPU及其工作原理,1、80X86微处理器芯片的性能指标,字长 指令数 运算速度 访问内存储器空间 虚拟存储空间 多处理器系统 指令作业方式 芯片制造工艺,字长,决定了 CPU 表示数据的精度 提高了CPU 的相对运行速度 典型 CPU 字长,CPU 并行处理数据的位数， 与数据总线宽度有关。,8088 8bit 8086 16bit 80386 32bit Pentium 32bit，64bit,指令数,基本指令133条 扩展指令数千条,确定了CPU 能执行的功能。,功能不同指令助记符形式不同,不同寻址方式和不同寄存器的组合,运算速度,计算机完成操作的时间指标。,用指令执行时间测量（单

10、位s ） 用每秒执行指令数测量（单位MIPS）。 提高速度的方法,提高 CPU 主频 减少指令执行所需时钟周期数 增加数据线条数 取指令和执行指令时间重叠 双 CPU,访存空间,Z80CPU AB = 16 访存空间 = 216 = 64K 8086CPU AB = 20 访存空间 = 220 = 1M 80286CPU AB = 24 访存空间 = 224 = 16M 80386CPU AB = 32 访存空间 = 232 = 4G,CPU 能访问的内存储器单元容量， 与地址总线宽度有关。,虚拟存储空间,用硬件和软件的综合技术来 扩大用户可用存储空间。,主存储器是基础 高速缓存很重要 外存储

11、器是根本,多处理器系统,微处理器 协处理器。,微处理器完成系统的主要功能 协处理器完成系统的特殊功能,微处理器芯片 8086 浮点协处理协处理器芯片 8087 控制总线协处理器芯片 8288,指令作业方式,取指令与执行指令的时间分配。,取指令与执行指令分时进行 取指令与执行指令同时进行,传统 8 位 CPU 工作方式,80X86 CPU 工作方式,芯片制造工艺,工艺的改进带来更高的芯片集成度。,集成度从早期的每片数千个晶体管数量级 到近期的每片数百万个晶体管数量级。 线条宽度从微米级到纳米级 主频从数兆赫兹到数千兆赫兹。,8086/8088CPU 功能结构图,EU 控 制 器,标志寄存器,8位

12、队列总线,总 线 控 制 逻 辑,内部总线16位,20位地址总线,16位数据总线,执行部件EU,总线接口部件BIU,2、8086 CPU 内部结构,8086CPU从功能上可分为下面两个部分 执行部件 EU（Execution Unit） 8086 CPU 的核心，只负责执行指令，分析指令，暂存中间运算结果并保留结果的特征。 接口部件 BIU（Bus Interface Unit） 负责CPU与存储器、I/O接口之间的信息传送。,执行部件的组成,16 位运算器 ALU,8 位控制单元,16 位寄存器组,算术及逻辑运算 16 位偏移地址运算 （8086 特点）,从BIU的指令队列中取指令 对指令进

13、行译码并产生不同的控制信号,16 位通用寄存器 AX, BX, CX, DX, BP, SP, SI, DI 16 位状态标志寄存器 Flag,执行单元EU由下列部件组成： 1. 16位算术逻辑单元(ALU)：进行算术和逻辑运算。 2. 16位标志寄存器FLAGS：存放CPU运算的状态和控制标志。3. 数据暂存寄存器：暂存参加运算的数据 4. 通用寄存器：包括4个16位数据寄存器AX、BX、CX、DX和 4个16位指针与变址寄存器SP、BP与SI、DI。 5. EU控制电路：它是控制、定时与状态逻辑电路，接收从BIU中指令队列取来的指令，经过指令译码形成各种定时控制信号，对EU的各个部件实现特

14、定的定时操作。,指令队列 为先进先出结构 指令队列中只要有一条指令，EU就开始执行 指令队列只要未满，BIU自动执行取指操作，直到填满为止 当执行转移指令时，EU要求BIU从新的地址中重新取指。队列中原有指令被清除。新取得的第一条指令直接送EU执行，随后取得的指令填入队列,接口部件 BIU,指令队列的特点 经总线从代码段取指令，送 EU 译码,接口部件 BIU,取指 总线忙 执指 总线闲,取指、执指 重叠 取指、执指 总线忙,Z80CPU 的取指、执指（没有指令队列） 顺序执行指令 8086CPU 的取指、执指（有指令队列） 并行执行指令,接口部件 BIU,指令队列的优点,在一条指令的执行过程

15、中可以取出下一条（或多条）指令 在一条指令执行完成后，就可以立即执行下一条指令 减少CPU为取指令而等待的时间 提高CPU的利用率和整个运行速度,接口部件 BIU,16 位指令指针寄存器 IP,接口部件 BIU,指令指针寄存器 IP = 16 bit,注： IP 指向存储器单元的 偏移地址,16 位段寄存器 CS、DS、ES、SS,接口部件 BIU,8086CPU的AB = 20bit，REG = 16bit， 怎样用 16 位寄存器表示 20 位存储器实际地址。,将8086CPU能访问的 1M 存储器空间分为多段， 每段长为 64K个存储单元（段内偏移地址为16位）。,CS、DS、ES、SS

16、 为存放段地址的寄存器， 不同段的段地址放入所对应的段寄存器。,20位地址产生器,接口部件 BIU,输入 输出 公式,段寄存器中的 16 位段首地址（逻辑地址） 内总线中来的 16 位段内偏移地址（逻辑地址）,20 位 实际地址（物理地址）,实际地址 = 段首地址 * 16 + 段内偏移地址 实际地址 = 段首地址 4 + 段内偏移地址,物理地址：CPU与存储器进行数据交换时在地址总线上提供的20位地址信息称为物理地址。物理地址的形成过程如图3.3所示。当由IP提供或由EU根据指令所提供寻址方式计算出寻址单元的16位段内偏移地址后，把该偏移地址和段寄存器内容左移四位后（相当于乘以10H）得到的段基址（段内第一个存储单元的物理地址）同时送到BIU中的地址加法器，形成一个20位的物理地址，从而实现对存储单元的访问。由逻辑地址求物理地址的公式为： 物理地址=段地址10H+段内偏移