第二篇 处理器管理ok.ppt

软件学院软件基础教研室 计算机组成和操作系统 第二章 处理器管理 CPU的工作原理 指令系统 进程和线程 1 CPU的工作原理 1.1 CPU的功能 指令控制 按顺序执行指令，指令的先后次序不能颠倒。 操作控制 指令的执行就是一系列微操作序列，CPU协调各个功能部件按指令的要求完成操作。 时间控制 指令的执行过程受到时间的严格控制。 数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算。 1.2 CPU的组成 运算器 加工信息。包括：算术运算、逻辑运算。 控制器 从内存取出一条指令，并指出下条指令的地址； 对指令进行译码，产生相应的微控制信号； 控制CPU、内存和I/O设备之间的数据传送。 1.3 CPU的寄存器 通用寄存器 用于数据处理过程中临时存放地址和数 据，可用于不同用途。 控制类寄存器 程序计数器PC：存放下一条指令的地址 指令寄存器IR：存放当前正在执行的指令 地址寄存器MAR：存放CPU要访问的主存地址 数据寄存器MDR：CPU和主存或外设之间的数据中转站，弥补他们之间的速度差异 累加器AC：暂存ALU的计算结果 状态条件寄存器PSR：ALU运算结果、中断信息，系统工作状态信息 1.4 CPU工作的基本周期 1.5 运算器的功能和组成 功能 通过加法、移位、取补和一些逻辑操作，进行各种算术运算和逻辑运算。 组成 算术逻辑部件ALU，通用寄存器（累加器AC ），专用寄存器（PSR）和附加的控制线路。 1.6 控制器的功能和组成 控制器的功能 取指令：从内存取出指令（码）送CPU。 分析指令：对指令码进行分析译码，判断其功能、操作数寻址方式等。 执行指令：根据指令分析的结果，执行计算操作数地址、取操作数、运算等操作。 中断处理和响应特殊请求。 计算机工作的过程，就是循环往复的取指令、分析指令、执行指令的过程。 控制器组成 1．程序计数器（PC）：存放指令的地址（当前指令或者下一条指令地址）； 当指令顺序执行时，由PC+1产生下一条指令的地址； 当遇到转移指令时，转移地址?PC作为下一条指令的地址。 2．指令寄存器（IR）：存放当前指令的指令码； 3．指令译码器（ID）：对指令寄存器中的指令操作码字段（OP）进行译码。 译码器的输出信号送入操作控制信号形成部件，产生该指令所需要的有一定时序关系的操作控制信号序列。 4．时序信号产生器：负责提供时钟信号和机器周期信号，以规定每个操作的时间。 启停线路，负责控制时钟脉冲的送出与封锁，从而实现计算机硬件的启动与停止。 5．操作控制信号形成部件：根据指令的操作码以及时序信号，产生取出指令和执行这条指令所需的各种操作控制信号。 采用组合逻辑电路的控制器，称作硬布线控制器； 采用存储逻辑的称作微程序控制器。 1.7 CPU的分类 按照CPU内部的数据总线结构，可分为： 单总线：CPU内部的所有部件都连接到一个公共通道上，任何两个部件之间的数据传送都必须经过这条总线。 双总线：有输入和输出两条总线。 三总线：输入数据总线、寄存器数据总线、ALU输出总线。 2 指令系统 2.1 什么是指令和指令系统 指令就是计算机执行某种操作的命令 指令系统是CPU能够识别并执行的所有指令的集合。 2.2 计算机指令系统的发展过程 50年代 指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转 移等十几至几十条指令。 60年代 增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串 处理等指令，指令数目多达几百条，寻址方式也 有十几种，这些计算机又称为复杂指令集计算机(CISC)。 70年代 复杂指令集计算机(CISC)的指令系统庞大、指令系统难以保证正确性，不易调试维护，人们又提出了便于实现的精简指令集计算机(RISC)。 CISC和RISC的比较： Complex Instruction Set Computer 指令数量多，指令功能复杂。 CISC处理的是不等长指令集，指令需进行分割后才能执行，因此需要较多的处理工作 应用广泛（DOS，windows） Reduced Instruction Set Computer 只包含使用频率很高的少量指令，并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言 RISC执行的是等长精简指令集，执行速度较快且性能稳定 制造工艺简单，成本低廉 支持的应用程序少 2.3 指令的格式 一条指令说明计算机硬件应该执行什么样的操作，其基本格式如下所示： 2.3.1 操作码 固定长度：指令的操作码部分所占的二进制位数不变 可变长度：指令的操作码部分所占的二进制位数可变 2.3.2 地