第4章 计算机的硬件组成及功能.ppt

信息系统基础 第4章 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 4.1.1 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，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：控制程序严格按规定的顺序执行，是CPU的首要任务。 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：对各种操作实施时间上的定时。 数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理。 中断处理：处理由设备发来的中断。 中央处理器基本组成 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、状态信息的，它可分为： 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：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。 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） 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指令地址。 在程序开始时，存放程序第一条指令的地址； 一般具有自加1功能； 当指令执行时，存放下一条指令的地址； 当遇到转移指令时，PC内容由指令的地址码字段取得。 指令寄存器（IR） 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。 当执行一条指令时，先把它从内存取出，然后再传送至IR。 在指令执行过程中，IR的内容不允许被修改，以保证指令的正确执行。 存储器数据寄存器（MDR） 功能:暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字。 作用: 作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站。 补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。 存储器地址寄存器（MAR） 功能:当前CPU所访问的内存单元的地址。 作用:由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止。 程序状态字寄存器（PSWR） 功能：用于存放ALU工作时产生的状态信息。 特点： 每一位单独使用，称为标志位。 反映了ALU当前的工作状态或条件转移指令的转移条件。 4.1.2控制器的组成和功能 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：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：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：指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。 控制器的组成 指令部件 指令部件的主要任务：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 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。 微操作信号发生器用数百种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：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。 运算器的组成 算术/逻辑运算单元ALU 提供操作数和暂存结果的寄存器组 判断逻辑和控制电路 内部总线 …… 运算器的组成 4.1.4指令的执行过程 一条指令的运行（指令周期）分为3个阶段： 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。 完成取指令阶段任务的时间称为取指周期。 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： 执行阶段的任务是执行指令。 完成执行