第4章计算机的硬件组成及功能课件.ppt
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- 计算机 硬件 组成 功能 课件
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1、信息系统基础信息系统基础第第4章章 计算机的硬件组成及功能计算机的硬件组成及功能第4章 计算机的硬件组成及功能 4.1 中央处理器(CPU) 4.2 存储系统 4.3 输入/输出系统 4.4 总线4.1 中央处理器(CPU) 4.1.1 CPU的功能和组成 4.1.2 控制器的组成和功能 4.1.3 运算器的组成和功能 4.1.4 指令的执行过程Central Processing Unit4.1.1 CPU的功能和组成 计算机中自动完成取出指令和执行指令的任务的部件被称为中央处理器中央处理器,通常简称CPU。 CPU是整个计算机的核心。中央处理器的功能 指令控制指令控制:控制程序严格按规定的
2、顺序执行,是CPU的首要任务。 操作控制操作控制:CPU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。 时间控制时间控制:对各种操作实施时间上的定时。 数据加工数据加工:对数据进行算术运算和逻辑运算处理。 中断处理中断处理:处理由设备发来的中断。指令部件指令部件时序部件时序部件运算器运算器中断控制逻辑中断控制逻辑控制单元控制单元中央处理器基本组成CPU控制器控制器运算器运算器CPU控制器控制器运算器运算器Cache中央处理器的组成CPU 中的主要寄存器 CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果以及控制、状
3、态信息的,它可分为: 通用寄存器通用寄存器:用来存放原始数据和运算结果,有时还可作为变址寄存器、计数器、地址指针等。 专用寄存器专用寄存器:是专门用来完成某一特殊功能的寄存器。通用寄存器 通用寄存器可由用户编程访问。 通用寄存器的数目少则几个,多则几十个,上百个。80286的8个16位寄存器SPAH ALBH BLCH CLDH DLSIDIBPAX累加寄存器 BX基址寄存器CX计数寄存器DX数据寄存器SI源变址寄存器DI目的变址寄存器BP基址指针寄存器SP堆栈指针寄存器专用寄存器 专用寄存器是专门用来完成某种特殊功能的寄存器,一般不允许用户访问。它们是: 程序计数器(PC) 指令寄存器(IR
4、) 存储器数据寄存器(MDR) 存储器地址寄存器(MAR) 程序状态字寄存器(PSWR)程序计数器(PC) 存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条指令地址。指令地址。 在程序开始时,存放程序第一条指令的地址;在程序开始时,存放程序第一条指令的地址; 一般具有自加一般具有自加1 1功能;功能; 当指令执行时,存放下一条指令的地址;当指令执行时,存放下一条指令的地址; 当遇到转移指令时,当遇到转移指令时,PCPC内容由指令的地址码字内容由指令的地址码字段取得。段取得。指令寄存器(IR) 指令寄存器用来保存指令寄存器用来保存当前正在执行当前正在执行的一条指令
5、的一条指令。 当执行一条指令时,先把它从内存当执行一条指令时,先把它从内存取出,然后再传送至取出,然后再传送至IR。 在指令执行过程中,在指令执行过程中,IR的内容不允的内容不允许被修改,以保证指令的正确执行。许被修改,以保证指令的正确执行。存储器数据寄存器(MDR) 功能功能:暂时存放由内存储器读出的一条指令暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字或一个数据字。 作用作用: 作为作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的和内存、外部设备之间信息传送的中转站。中转站。 补偿补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。上的差别。存储器地址寄存器(MAR) 功
6、能功能:当前当前CPU所访问的内存单元的地址所访问的内存单元的地址。 作用作用:由于在内存和由于在内存和CPU之间存在着操作之间存在着操作速度上的差别,所以必须使用地址寄存速度上的差别,所以必须使用地址寄存器来保持地址信息,直到内存的读器来保持地址信息,直到内存的读/写操写操作完成为止。作完成为止。程序状态字寄存器(PSWR) 功能:用于存放用于存放ALUALU工作时产生的状态信息工作时产生的状态信息。 特点:每一位单独使用,称为标志位。每一位单独使用,称为标志位。反映了反映了ALUALU当前的工作状态或条件转移指令的转移条件。当前的工作状态或条件转移指令的转移条件。 V D I T S Z
7、A P C15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0进位标志位进位标志位奇偶标志位奇偶标志位辅助进位位辅助进位位零标志位零标志位结果符号位结果符号位单步标志位单步标志位中断允许位中断允许位方向标志位方向标志位溢出标志位溢出标志位4.1.2控制器的组成和功能 控制器控制器是发布命令的“决策机构”,即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。 控制器的主要功能 取指令取指令:从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置。 译码译码:对指令进行译码或测试,并产生相应的操作控制信号,以便启动规定的动作。 控制控制:指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方
8、向。控制器的组成指令部件指令部件时序部件时序部件 控制单元控制单元中断控制逻辑中断控制逻辑指令部件指令部件 指令部件的主要任务任务:完成取指令并分析指令的任务。 指令部件包括: 由程序计数器PC 指令寄存器IR 指令译码器ID 地址形成部件时序部件时序部件n时序部件时序部件能产生一定的时序信号,以保证机器的各个功能部件有节奏地进行信息传送、加工及存储。n时序部件时序部件包括:n脉冲源脉冲源n启停控制逻辑启停控制逻辑n节拍信号发生器节拍信号发生器微操作信号发生器微操作信号发生器 微操作信号发生器也称为控制单元CU。 每条指令的执行可以分解成多个最基本的操作,这种最基本的不可再分割的操作称为微操作
9、微操作。 微操作信号发生器用数百种微操作微操作控制信号控制指令的执行。中断控制逻辑中断控制逻辑 中断控制逻辑:用来控制中断处理的硬件逻辑。4.1.3 运算器的组成和功能 运算器是加工处理数据的功能部件。 运算器主要由下列部件组成:算术逻辑单元(ALU)完成二进制信息的定点算术运算,逻辑运算,移位操作寄存器 存放数据,运算的中间、最后结果,各种状态标志 算术逻辑单元和通用寄存器的位数决定了CPU的字长。运算器的功能 运算器的主要功能是完成二进制算术运算及逻辑运算。 计算机中最基本的算术运算是加法运算,加、减、乘、除运算最终都可以归结为加法运算。 运算器中的最基本的运算部件加法器加法器。运算器的组
10、成 算术/逻辑运算单元ALU 提供操作数和暂存结果的寄存器组寄存器组 判断逻辑和控制电路电路 内部总线 运算器的组成移位器选择器选择器R0Rn-1+1ALUR0Rn-1R0Rn-1内部总线MS0S3运算器内的各功能模块之间的连接采用内部总线运算器内的各功能模块之间的连接采用内部总线ALU和各寄存器都挂在上面和各寄存器都挂在上面运算器的内部总线是运算器的内部总线是CPU的内部数据通路的内部数据通路4.1.4指令的执行过程一条指令的运行一条指令的运行(指令周期)分为分为3个阶段:个阶段: 取指令阶段取指令阶段: 取指令对所有的指令来说是必须的,所以取指令要执行的操作称为公共操作。 完成取指令阶段任
11、务的时间称为取指周期取指周期。 分析取数阶段分析取数阶段: 由于各条指令功能不同,寻址方式不同,所以分析取数阶段各不相同。 执行阶段执行阶段: 执行阶段的任务是执行指令。 完成执行阶段任务的时间称为执行周期执行周期。加法指令ADD R0,R1的执行过程 加法指令ADD R0,R1的含义: 将将R0的内容与的内容与R1的内容相加,结果送回的内容相加,结果送回R0。 该指令由两个CPU周期组成: 取指周期 执行周期取指令阶段的操作 取指令阶段 将PC的内容送至MAR,并送地址总线AB。 由控制单元CU经控制总线CB向存储器发read命令。 从主存中取出的指令通过数据总线DB送到MDR。 将MDR的
12、内容送至IR中。 PC+1,为取下一条指令做好准备。 取指周期内有5个操作。送指令地址送指令地址计算下一条计算下一条指令地址指令地址读入指令读入指令取指令阶段各个操作示意图1.将PC的内容(假设2000)送至MAR,并送地址总线AB。2.由控制单元CU经控制总线CB向存储器发read命令。3.从主存中取出的指令(ADD)通过数据总线DB送到MDR。4.将MDR的内容(ADD)送至IR中。5.PC+1(2000+1=2001),为取下一条指令做好准备。5. 2000+1=20012. Read3. ADD4. ADD1. 2000执行阶段的操作 执行阶段 将被加数R0内容送至暂存器LA。 将加数
13、R1内容送至暂存器LB。 CU向ALU发“ADD”控制信号,使LA的内容与LB的内容相加,将运算结果送至R0 。取源操作数取源操作数取目的操作数取目的操作数运算并送结果运算并送结果执行指令阶段各个操作示意图1. 将被加数R0内容送至暂存器LA 。2. 将加数R1内容送至暂存器LB。3. CU向ALU发“ADD”控制信号,使LA的内容与LB的内容相加,将运算结果送至R0 3. ADD2. R11. R03. 结果第4章 计算机的硬件组成及功能 4.1 中央处理器(CPU) 4.2 存储系统 4.3 输入/输出系统 4.4 总线4.2存储系统4.2.1 主存储器 4.2.2 高速缓冲存储器 4.2
14、.3 辅助存储器 4.2存储系统 对存储器的要求 容量大,速度快,成本低 解决三者之间的矛盾 目前通常采用多级存储器体系结构 高速缓冲存储器(Cache) 主存储器(内存储器 ) 辅助存储器(外存储器 )存储设备层次结构示意图存储设备层次结构示意图通用寄存器通用寄存器指令和数据缓冲器指令和数据缓冲器外部存储器(磁盘、磁带等)外部存储器(磁盘、磁带等)主存储器(动态随机存储器主存储器(动态随机存储器DRAM)容量容量越来越来越大越大,价格价格越来越来越便越便宜,宜,速度速度越来越来越慢越慢Cache(静态随机存储器(静态随机存储器SRAM)访访问问速速度度越越来来越越快快CPU内部内部存储器的层
15、次结构 各级存储器的用途和特点名称名称简称简称用途用途特点特点高速缓冲存储器Cache 高速存取指令和数据存取速度快,但存储容量小主存储器主存存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快,存储容量不大外存储器外存存放系统程序和大型数据文件及数据库存储容量大,位成本低4.2.1主存储器主存储器 主存储器主存储器又称主存主存、内存内存,用于存储将要处理的数据和将要执行的指令。 主存的种类 随机存取存储器(Random Access Memory,RAM) 暂时存储指令或数据 ,掉电后数据丢失 只读存储器(Read-Only Memory,ROM) 永久性、非易失性的存储器 ;只能读,不能写随机存
16、取存储器 随机存取存储器(Random Access Memory,RAM) RAM是存储指令或数据的存储器,断电后该存储器上的数据会丢失。 微机中的RAM基本上以内存条 。只读存储器 ROM只能读,不能写。 ROM的分类(根据编程方法的不同来划分) 掩模式只读存储器(MROM) 一次编程只读存储器(PROM) 多次编程只读存储器(EPROM) 电擦除(EEPROM) 紫外线擦除(UVEPROM)掩模式只读存储器 掩模式只读存储器(MROM) 在芯片制造过程中确定其内容 使用时,只能读出,不能再进行修改 优点:可靠性高、集成度高、价格便宜、适宜大批量生产 缺点:不能重写 只能专用,用户可向生产
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