计算机组成原理与汇编语言程序设计第3章1.ppt

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1、计算机组成原理与汇编语言程序设计（第2版）徐洁俸远桢主编第3章(1)第2篇计算机系统分层结构在本篇用3章分三个层次，即微体系结构层、指令系统层和汇编语言层讨论计算机系统的组成。微体系结构层是具体的硬件层次，可看作是指令系统的解释器。指令系统层是一个抽象的层次，其指令系统是一种硬件和编译器都可识别的机器语言。汇编语言层提供的语言，是将机器语言“符号化”以便于人们理解。用汇编语言编写的程序先由汇编器翻译成机器语言程序，再由微体系结构层解释执行。第3章微体系结构层——CPU组织在微体系结构层，是从寄存器级分析CPU的结构和功能。本章主要内

2、容：CPU的基本组成和功能算术逻辑部件ALU和运算方法CPU模型机组合逻辑控制器原理微程序控制器原理中央处理器CPU的主要功能是从主存储器中取出指令、分析指令和执行指令，即按指令控制计算机各部件操作，并对数据进行处理。第1节CPU的组成和功能3.1.1CPU的组成CPU通常由以下几部分构成：①控制器;②算术逻辑部件ALU;③各种寄存器;④CPU内部总线。CPU的基本组成框图1．ALU部件与寄存器ALU框图（1）ALU部件ALU的功能是实现数据的算术与逻辑运算。ALU的输入有两个端口，分别接收参加运算的两个操作数，通常它们来自CPU中

3、的通用寄存器或ALU总线。ALU的输出取决于对其功能的控制，当控制功能选择加、减、与、或等运算功能之一时，其输出结果将为对应的和、差、与值、或值等。（2）寄存器CPU中的寄存器包括存放控制信息的寄存器，如指令寄存器、程序计数器和状态字寄存器；以及存放所处理数据的寄存器，如通用寄存器和暂存器。①寄存器通用通常CPU内部设置有一组寄存器，每个寄存器都可以承担多种用途，因此习惯上称为通用寄存器。通用寄存器本身在逻辑上只具有接收信息、存储信息和发送信息的功能。但通过编程以及与ALU的配合可以实现多种功能，如它们可为ALU提供操作数并存放运算

4、结果，也可用作变址寄存器、地址指针和计数器等。②器暂存在CPU中一般要设置暂存器，主要是为了暂存从主存储器读出的数据,暂存器没有寄存器号，因此不能直接编程访问它们。③寄存器IR（InstructionRegister）指令用来存放当前正在执行的一条指令。执行指令时，需根据PC中的指令地址从主存读取指令送到IR中。。④计数器PC（ProgramCounter）程序用以存放当前或下一条指令在主存中的地址，因此又称为指令计数器或指令指针IP（InstructionPointer）。⑤寄存器状态CPU内部设置的状态寄存器，用来存放当前程序的

5、运行状态和工作方式，其内容称为程序状态字PSW（ProgramStateWord），PSW是参与控制程序执行的重要依据。2．总线所谓总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路，它分时接收各部件送来的信息，并发送信息到有关部件。由于多个部件连接在一组公共总线上，可能会出现多个部件争用总线，因此需设置总线控制逻辑以解决总线控制权的有关问题。CPU内部总线用来连接CPU内的各寄存器与ALU;总线分类:系统总线用来连接CPU、主存储器与I/O接口，它通常包括三组：数据总线、地址总线和控制总线。按总线传送的方向可将总线分为单向总线和

6、双向总线。3．CPU内部数据通路CPU内部寄存器及ALU之间通常用总线方式传送数据信息。介绍两种常见的结构。（1）单总线数据通路结构采用单总线结构的CPU数据通路CPU数据通路结构只采用一组内总线，它是双向总线。通用寄存器组、其他寄存器和ALU均连在这组内总线上。CPU内各寄存器间的数据传送必须通过内总线进行，ALU通过内总线得到操作数，其运算结果也经内总线输出。（2）多组内总线结构采用三总线结构的CPU数据通路为了提高CPU的工作速度，一种方法是在CPU内部设置多组内总线，使几个数据传送操作能够同时进行，即实现部分并行操作。3.1

7、.2指令执行过程CPU的主要功能就是执行存放在存储器中的指令序列，即程序。1．指令的分段执行过程任何一条指令的执行都要经过读取指令、分析指令和执行指令3个阶段。执行阶段还可细分为:（1）取指令（2）分析指令（3）执行指令①取操作数②执行操作③形成下一条指令地址此外，CPU还应该对运行过程中出现的某些异常情况或输入/输出请求进行处理。2．指令之间的衔接方式指令之间的衔接方式有两种：串行的顺序安排方式与并行的重叠处理方式。3.1.3时序控制方式执行一条指令的过程可分为几个阶段，而每一阶段又分为若干步基本操作，每一步操作则由控制器产生一些

8、相应的控制信号实现。因此，每条指令都可分解为一个控制信号序列，指令的执行过程就是依次执行一个确定的控制信号序列的过程。时序控制方式就是指微操作与时序信号之间采取何种关系，它不仅直接决定时序信号的产生，也影响到控制器及其他部件的组成，以