微机原理3_计算机一般原理.ppt

第三章 微型计算机一般原理 3.1 计算机系统组成原理 计算机硬件系统的一种构成形式 计算机系统的层次结构 第0级由硬件实现。 第1级由微程序实现。 第2级是传统指令系统（机器语言）机器。 第3级是操作系统机器。操作系统是运行在第２级上的解释程序 第4级是汇编语言机器。 第5级是高级语言机器。 第6级是应用语言机器。 从学科领域来划分：第0和第1级属于计算机组织与结构，第3至第5级是系统软件，第6级是应用软件。 它们之间仍有交叉：第0级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在 计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括 ? 处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用器件的设计 器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术 ? 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等 硬件软化：软件完成较复杂功能，以降低硬件开销。 软件硬化：硬件完成较复杂功能，以提高处理速度。 软件固化：运行微程序实现较复杂功能，以提高性价比。 相互关系 CPU功能 算术逻辑运算 指令译码、执行 数据暂存 与MEM、I/O交换数据 提供整个系统所需的定时和控制 响应中断请求 简单加减运算器 一、微型计算机的工作过程 由于执行每一条指令，都包括取指、译码和执行三个基本步骤，所以，微型计算机的工作过程，也就是不断地取指令、译码和执行的过程，直到遇到停机指令时才结束机器的运行。 3.3 运算器 运算器是根据程序的指令功能，以ALU算术逻辑运算单元为核心，在控制器的控制下完成算术四则运算、逻辑运算及其他运算的部件。 3.3.2 定点加减运算 3.3.3 溢出的产生与判断 溢出只发生在两同号数相加，并且次高位向最高位（符号位）有进位的情况下。这时，和的符号位同加数与被加数的符号必然相反。 判断溢出的三种方法： 1、两同号数相加，若结果与相加数符号不同，则表示发生了溢出； 2、符号位的进位输入Cn-1与进位输出Cn不相同，则表示发生了溢出； 3、采用双符号法。进行运算时，在加数和被加数前再增加一位与原数相同的符号位，构成双符号位，“00”表示正，“11”表示负，连双符号位一起参与运算后，若运算结果的符号位不同，则一定发生了溢出。 3.4 控制器 控制器 主要功能 从内存中取指令，计算下一条指令的地址； 对指令进行译码，产生操作控制信号； 控制指令执行的步骤和数据流动的方向； 控制程序和数据的输入与结果输出； 随机事件和某些特殊请求的处理。 生成控制信号的方法 硬连线逻辑方式 微程序方式 阵列逻辑方式 这样，CPU执行指令的过程，可看成是一个串行过程，读指令代码时，其他部件在等待，执行指令时，读指令部件又在等待， CPU工作效率较低。 CPU执行指令的过程，可具体分为如下六个步骤： 1.取指（fetch）； 2.译码（decoding); 3.计算有效地址（EA：Effective Address）； 4.取操作数； 5.执行 6.存储运算结果 概括的说，可分为“取指令”和“执行指令”两个步骤。 3.4.1控制器的组成 程序计数器(PC)：存当前正在执行的指令的地址 存即将执行的下一条指令的地址 存下一条预取指令的地址 控制器逻辑框图 3.4.2时序系统的组成 4.周期状态触发器:产生电路与节拍发生器产生电路类似.表示CPU当前处于指令周期的哪个机器周期 5.启停控制逻辑:控制时钟系统,只有当启动机器运行时,才允许发出所需的时钟脉冲,而且,由于机器的启停是随机的,必须考虑发出的脉冲是完整的. 3.4.4微程序控制器 其实质是用程序设计的思想方法来组织操作控制逻辑。 微程序控制的基本概念 1.微命令与微操作 微命令：构成控制信号序列的最小单位。 微操作：控制器中执行部件接受微指令后所进行的操作。 2.微指令和微程序 微指令：在机器的一个节拍中,一组实现一定操作功能的微命令, 即微命令组合。 微程序：由微指令组成的序列称为微程序,一个微程序的功能对应一条机器指令的功能. 3.机器指令与微指令 机器指令指提供给使用者编成的基本单位,如每一条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作. 一条机器指令对应一组微指令组成的微程序.可见,一条机器指令对应多条微指令,而一条微指令可为多个机器指令服务 4.控制存储器CM(Control Memory): 用于存放全部指令的所有微程序,采用只读存储器结构(固化).控制存储器的字长等于微指令的长度,其总容量决定于所有微程序的总长度. 5.微指令周期:从控制存储器中读取一条微指令并执行这条微指令所需的时间,通常一个微指令