第6章中央处理器
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江苏省XY中等专业学校2021-2022-2教案编号:
CPU周期。
操作是:0→A
第一个CPU周期,即取指令周期。
第二个CPU周期,即执行指令周期。
2.直接访内指令的指令周期
加法指令(ADD,D)是直接访内指令,需要三个CPU 周期,取指令阶段一个CPU周期,执行指令阶段两个CPU周期。
操作是:A十(D)→A
第一个CPU周期,即取指令周期,操作过程与CLA 指令相同。
第二个CPU周期,将操作数的地址送往地址寄存器并完成地址译码。
第三个CPU周期,从内存取出操作数并执行相加操作。
3.间接访内指令的指令周期
如存数指令(STA,@D)是间接访内指令,需要四个CPU周期,取指令阶段一个CPU周期,执行指令阶段三个CPU周期。
操作是:(A)→(D)。
第一章电脑系统概论电脑的硬件是由有形的电子器件等构成的,它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。
早起将运算器和控制器合在一起称为CPU〔中央处理器〕。
目前的CPU包含了存储器,因此称为中央处理器。
存储程序并按地址顺序执行,这是冯·诺依曼型电脑的工作原理,也是CPU自开工作的关键。
电脑系统是一个有硬件、软件组成的多级层次结构,它通常由微程序级、一般程序级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成,每一级上都能进行程序设计,且得到下面各级的支持。
习题:4冯·诺依曼型电脑的主要设计思想是什么?它包括那些主要组成部分?主要设计思想是:存储程序通用电子电脑方案,主要组成部分有:运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备5什么是存储容量?什么是单元地址?什么是数据字?什么是指令字?存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。
每个存储单元都有编号,称为单元地址。
如果某字代表要处理的数据,称为数据字。
如果某字为一条指令,称为指令字7指令和数据均存放在内存中,电脑如何区分它们是指令还是数据?每一个基本操作称为一条指令,而解算某一问题的一串指令序列,称为程序第二章运算方法和运算器按对阶操作。
直接使用西文标准键盘输入汉字,进行处理,并显示打印汉字,是一项重大成就。
为此要解决汉字的输入编码、汉字内码、子模码等三种不同用途的编码。
1第三章 内部存储器即CPU 能直接访问内存〔cache 、主存〕,双端口存储器和多模块交叉存储器属于并行存储器结构。
cache 是一种高速缓冲存储器,是为了解决CPU 和主存之间速度不匹配而采用的一项重要的硬件技术,并且发展为多级cache 体系,指令cache 与数据cache 分设体系。
要求cache 的命中率接近于1适度地兼顾了二者的优点又尽量防止其缺点,从灵活性、命中率、硬件投资来说较为理想,因而得到了普遍采用。
习题: 1设有一个具有20位地址和32位字长的存储器,问:〔1〕该存储器能存储多少个字节的信息? 〔2〕如果存储器由512K ×8位SRAM 芯片组成,需要多少片;〔3〕需要多少位地址做芯片选择?(1)字节M 4832*220= (2)片84*28*51232*1024==K K (3)1位地址作芯片选择 2 已知某64位机主存采用半导体存储器,其地址码为26位,假设使用4M ×8位DRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间,并选用内存条结构形式,问:〔1〕 假设每个内存条16M ×64位,共需几个内存条?〔2〕每个内存条共有多少DRAM 芯片? 〔3〕主存共需多少DRAM 芯片?CPU 如何选择各内存条?(1). 共需模块板数为m :m=÷2^24=4(块)(2). 每个模块板内有DRAM 芯片数为32 (片)(3) 主存共需DRAM 芯片为:4*32=128 (片)每个模块板有32片DRAM 芯片,容量为16M ×64位,需24根地址线(A23~A0) 完成模块板内存储单元寻址。
教学内容安排•第一章绪论•第二章数码系统•第三章运算方法和运算器•第四章存储系统•第五章指令系统•第六章中央处理器•第七章输入输出设备•第八章输入输出系统第六章中央处理器•6.1CPU的组成及功能• 6.2指令的执行过程• 6.3微程序控制器• 6.4中断系统•*6.5流水结构教学重点和难点•cpu的功能和组成、指令的执行过程和中断系统第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•中央处理器(CPU)–是计算机的大脑,计算机的运算、控制都是由它来处理的。
它的发展非常迅速,其主要功能就是控制各部件的协调工作–CPU的四个主要功能:指令控制、操作控制、时间控制、数据加工。
第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•CPU的组成–由两个主要部分组成:控制器和运算器。
这两部分功能不同,配合工作。
–运算器的功能:执行所有的算术运算、执行所有的逻辑运算。
–控制器功能有:1、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。
2、对指令进行译码或测试,并产生相应的操作控制信号。
3、指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。
第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•运算器部分–在控制器的控制下完成各种算术和逻辑运算。
第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•运算器组成–ALU(由全加器组成),输入:累加器、暂存器,输出:内部数据总线–寄存器:1、通用寄存器组2、标志寄存器3、专用寄存器第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•控制器部分–程序计数器PC:功能:完成指令控制、操作控制、时序控制第六章中央处理器 6.1 CPU的组成与功能•控制器组成–程序计数器PC:存放待执行指令在存储器中的地址。
任何程序执行前,应将程序的首地址置入PC中,通常,PC内容顺序加1;遇到转移指令,将转移的目标地址置入PC,即可实现程序转移。
–指令寄存器IR:存放从存储器中取出的待执行的指令。
–指令译码器ID:暂存在IR中的指令,其操作码部分经译码后才能识别当前要执行指令的性质,ID的功能也在于此。
计算机组成原理第6章习题参考答案第6章中央处理器6-6.某机CPU芯⽚的主振频率为8MHz,其时钟周期是多少uS?若已知每个机器周期平均包含4个时钟周期,该机的平均指令执⾏速度为0.8MIPS,试问:(1)平均指令周期是多少?(2)平均每个指令周期含有多少个机器周期?(3)若改⽤时钟周期为0.4uS的CPU芯⽚,则计算机的平均指令执⾏速度⼜是多少MIPS?(4)若要得到40万次/S的指令执⾏速度,则应采⽤主振频率为多少MHz的CPU芯⽚?[解] 时钟周期 = 1÷8MHz = 0.125uS(1)平均指令周期 = 1÷0.8MIPS = 1.25uS(2)机器周期 = 0.125u S×4 = 0.5uS平均每个指令周期的机器周期数 = 1.25u S÷0.5u S = 2.5(3)平均指令执⾏速度 = 1÷(0.4×4×2.5)= 0.25 MIPS(4)主振频率 = 8MH z/(0.8MIPS/0.4MIPS) = 4MHz6-7.以⼀条典型的单地址指令为例,简要说明下列部件在计算机的取指周期和执⾏周期中的作⽤。
(1)程序计数器PC(2)指令寄存器IR(3)算术逻辑运算部件ALU(4)存储器数据寄存器MDR(5)存储器地址寄存器MAR[解](1)程序计数器PC:存放指令地址(2)指令寄存器IR:存放当前指令(3)算术逻辑运算部件ALU:进⾏算逻运算(4)存储器数据寄存器MDR:存放写⼊到内存或从内存读出的数据或指令(5)存储器地址寄存器MAR:存放写⼊到内存或从内存读出的数据或指令的地址以单地址指令“加1(INC A)”为例,该指令分为3个周期:取指周期、分析取数周期、执⾏周期。
3个周期完成的操作如表所⽰。
取指周期分析取数周期执⾏周期PC (PC)→ MAR ——IR 指令→MDR→IR ——ALU (PC)+1 —(A)+1MAR 指令地址→MAR A→MAR —MDR 指令→MDR (A)→MDR (A)+1→MDR6-9.指令和数据都存放在主存,如何识别从主存储器中取出的是指令还是数据?[解] 指令和数据都存放在主存,它们都以⼆进制代码形式出现,区分⽅法为:(1)取指令或数据时所处的机器周期不同:取指令周期取出的是指令;分析取数或执⾏周期取出的是数据。
第六章中央处理器2. 简单回答下列问题。
(参考答案略)(1)CPU的基本组成和基本功能各是什么?(2)取指令部件的功能是什么?(3)控制器的功能是什么?(4)为什么对存储器按异步方式进行读写时需要WMFC信号?按同步方式访问存储器时,CPU如何实现存储器读写?(5)单周期处理器的CPI是多少?时钟周期如何确定?为什么单周期处理器的性能差?元件在一个指令周期内能否被重复使用?为什么?(6)多周期处理器的设计思想是什么?每条指令的CPI是否相同?为什么在一个指令周期内某个元件可被重复使用?(7)单周期处理器和多周期处理器的控制逻辑设计的差别是什么?(8)硬布线控制器和微程序控制器的特点各是什么?(9)为什么CISC大多用微程序控制器实现,RISC大多用硬布线控制器实现?(10)水平型微指令和垂直型微指令的基本概念和优缺点是什么?(11)CPU检测内部异常和外部中断的方法有什么不同?3. 在书中图6.9中,假定总线传输延迟和ALU运算时间分别是20ps和200ps,寄存器建立时间为10ps,寄存器保持时间为5ps,寄存器的锁存延迟(Clk-to-Q time)为4ps,控制信号的生成延迟(Clk-to-signal time)为7ps,三态门接通时间为3ps,则从当前时钟到达开始算起,完成以下操作的最短时间是多少?(1)将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器(2)将程序计数器PC加1参考答案:(1)寄存器的锁存延迟与控制信号的生成延迟的时间重叠,且Clk-to-signal time> Clk-to-Q time,所以完成寄存器传送的时间延迟为:7+3+20+10=40ps。
(2)分两个阶段:PC+1→Z :7+3+20+200+10=240ps;Z→PC:7+3+20+10==40ps寄存器保持时间用来作为时间约束。
4. 图6.30给出了某CPU内部结构的一部分,MAR和MDR直接连到存储器总线(图中省略)。
第一章:概述一、选择题1.完好的计算机系统应包括__ ___。
A. 运算器、存储器、控制器B. 外部设备和主机C. 主机和实用程序D. 配套的硬件设备和软件系统2.至今为止,计算机中的所有信息仍以二进制方式表示的理由是_ __。
A. 节约元件B. 运算速度快C. 物理器件的性能决定D. 信息处理方便3.从系统构造看,至今绝大多数计算机仍属于__ __型计算机。
A. 并行B. 冯.诺依曼C. 智能D. 实时处理4.计算机外围设备是指__ ___。
A. 输入/输出设备B. 外存储器C. 远程通讯设备D. 除CPU和内存以外的其他设备5.在微型机系统中,外围设备通过___ ___与主板的系统总线相连接。
A. 适配器B. 译码器C. 计数器D. 存放器6.冯·诺依曼机工作的根本方式的特点是__ ____。
A. 多指令流单数据流B. 按地址访问并顺序执行指令C. 堆栈操作D. 存贮器按内容选择地址7.微型计算机的开展一般是以_____技术为标志。
A. 操作系统B. 微处理器C. 磁盘D. 软件8.以下选项中,___ ___不属于硬件。
A. CPUB. ASCIIC. 内存D. 电源9.对计算机的软、硬件进展管理是__ ____的功能。
A. 操作系统B. 数据库管理系统C. 语言处理程序D. 用户程序10.下面的四个表达中,只有一个是正确的,它是____。
A.系统软件就是买的软件,应用软件就是自己编写的软件B.外存上的信息可以直接进入CPU被处理C.用机器语言编写的程序可以由计算机直接执行,用高级语言编写的程序必须经过编译〔解释〕才能执行D.假如说一台计算机配置了FORTRAN语言,就是说它一开机就可以用FORTRAN 语言编写和执行程序答案:1.D 2C. 3.B. 4.D. 5.A. 6B 7.B 8. B 9. A 10. C二、判断题1.在微型计算机广阔的应用领域中,会计电算化应属于科学计算应用方面。