計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成與工作原理

§3.1模型機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程一、模型機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介模型機(jī)的主要構(gòu)成：三總線(地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線)處理器（CPU）器I/O接口2/152CPU總線地址總線AB程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)3、、、器標(biāo)志寄存器地址譯碼器指令寄存器數(shù)據(jù)寄存器控制電路指令譯地址寄存器PC程序計(jì)數(shù)器寄存器組累加器AALU微操作信號(hào)發(fā)生器圖3-1

模型機(jī)的結(jié)構(gòu)3/1521、處理器的組成處理器（CPU）由運(yùn)算器和控制器組成。（1）運(yùn)算器定義：運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)中加工和處理數(shù)據(jù)的功能部件。功能：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，主要包括算術(shù)和邏輯運(yùn)算，如加、減、乘、與、或、非運(yùn)算等。另外，還暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。4/152運(yùn)算器組成部分算數(shù)邏輯單元ALU（ArithmeticLogicalUnit）：主要完成算術(shù)、邏輯運(yùn)算。累加寄存器（簡(jiǎn)稱累加器）A：用于存放操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果。寄存器組：由其它寄存器組成，主要用于存放操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果。標(biāo)志寄存器F：存放運(yùn)算結(jié)果的標(biāo)志（零、正負(fù)、進(jìn)位、溢出等）。5/152（2）控制器功能：控制器用于控制和指揮計(jì)算機(jī)內(nèi)各功能部件協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成計(jì)算機(jī)程序功能。6/152控制器組成程序計(jì)數(shù)器PC（Program

Counter）：用于存放將要取出的指令地址，指令取出后，其內(nèi)容自動(dòng)加1。指令寄存器IR（Instruction

Register）：用于存放指令的操作碼。指令譯

ID（Instruction

Decode）：用于將指令的操作碼翻譯成機(jī)器能識(shí)別

令信號(hào)。微操作信號(hào)發(fā)生器MOSG

（

Microoperation

SignalGenerator）：用于產(chǎn)生一系列微操作控制信號(hào)。地址寄存器AR（AddressRegister）：用于存放操作數(shù)或結(jié)果單元的地址。數(shù)據(jù)寄存器DR（Data

Register）：用于存放操作數(shù)。7/152控制器種類根據(jù)產(chǎn)生微操作控制信號(hào)的方式不同組合邏輯控制型邏輯型組合邏輯

邏輯結(jié)合型根本區(qū)別在于微操作信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法不同.8/152組合邏輯型控制器優(yōu)點(diǎn)：其微操作信號(hào)發(fā)生器是由門(mén)電路組成的復(fù)雜樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的。最大優(yōu)點(diǎn)是速度快。缺點(diǎn)：微操作信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)不規(guī)整，設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修較，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。一旦控制部件構(gòu)成后，難以增加新的控制功能。目前僅有一些巨型機(jī)和RISC機(jī)為追求高速度仍采用組合邏輯控制器。9/152邏輯型控制器優(yōu)點(diǎn)：采用 邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，即把微操作信號(hào)代碼化，使每條機(jī)器指令轉(zhuǎn)化成為一段微程序，存入控制 器中，微操作控制信號(hào)由微指令產(chǎn)生。它具有設(shè)計(jì)規(guī)整，調(diào)試、維修、更改、擴(kuò)充指令都方便的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，已成為當(dāng)前控制器的主流。缺點(diǎn)：由于它增加了一級(jí)控制器，所以指令的執(zhí)行速度比組合邏輯控制器慢。10/152PLA控制器組合邏輯與邏輯結(jié)合型的控制器稱為PLA控制器，它是吸收前兩種控制器的設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PLA控制器實(shí)際上也是一種組合邏輯控制器，但它又與常規(guī)的組合邏輯控制器的硬連結(jié)構(gòu)不同，它是程序可編的，某一微操作控制信號(hào)由PLA的某一輸出函數(shù)產(chǎn)生。PLA控制器是組合邏輯技術(shù)和邏輯技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了兩者的缺點(diǎn)，是一種較有前途的方法。11/152圖3-2

微操作信號(hào)發(fā)生器的基本結(jié)構(gòu)示意圖12/152單元和2、

器的結(jié)構(gòu)功能：主要用于保存程序和數(shù)據(jù)。組成部分：包含地址譯

、控制邏輯。13/152器

過(guò)程（1）讀操作CPU首先將地址寄存器AR的內(nèi)容放到地址總線AB上，地址總線上的內(nèi)容進(jìn)入地址譯，由地址譯進(jìn)行譯碼，選通相應(yīng)的單元。被選通的單元的內(nèi)容就出現(xiàn)數(shù)據(jù)總線上，在控制信號(hào)的作用下，

CPU從數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)寄存器DR，從而完成器的讀操作。14/152（2）寫(xiě)操作CPU將地址寄存器AR的內(nèi)容送到地址總線

AB上，地址總線上的內(nèi)容進(jìn)入地址譯

，由地址譯

進(jìn)行譯碼，以選通相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。在控制信號(hào)的作用下，CPU將要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線寫(xiě)入到被選通的單元，完成

器的寫(xiě)操作。15/152二、模型機(jī)的工作過(guò)程工作過(guò)程指令→分析指令→執(zhí)行指令→保存結(jié)果在進(jìn)行計(jì)算之前，應(yīng)做如下工作：用助記符號(hào)指令（匯編語(yǔ)言）編寫(xiě)源程序）；用匯編 （匯編程序）將源程序匯編成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言程序；將數(shù)據(jù)和程序通過(guò)輸入設(shè)備送入 器中存放。16/152下面舉例說(shuō)明計(jì)算機(jī)程序的具體執(zhí)行過(guò)程。例如，計(jì)算7+10=?，結(jié)果在A中。17/152匯編語(yǔ)言語(yǔ)句機(jī)器碼注釋MOV

A，07HB0H

07H；07送入累加器AADD

A，0AH04H

0AH；10與A中內(nèi)容相加，結(jié)果在A中HLTF4H；暫停假設(shè)上述程序在

器中的（設(shè)程序從00H開(kāi)始存放）格式。地址內(nèi)容00HB0H01H07H02H04H03H0AH04HF4H圖3-3

示例程序機(jī)器碼在器中的格式18/152指令階段的執(zhí)行過(guò)程如下：CPU將程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容00H送地址寄存器

AR。程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容自動(dòng)加1變?yōu)?1H，為取下一條指令作好準(zhǔn)備。地址寄存器AR將00H通過(guò)地址總線AB送至存儲(chǔ)器地址譯

譯碼，選中00H單元。器送至數(shù)據(jù)CPU發(fā)出“讀”命令。所選中的00單元的內(nèi)容B0H由總線DB上。19/152經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB，CPU將讀出的內(nèi)容B0H送至數(shù)據(jù)寄存器DR。數(shù)據(jù)寄存器DR將其內(nèi)容送至指令寄存器IR中，經(jīng)過(guò)譯碼，CPU“識(shí)別”出此操作碼為兩字節(jié)

指令的第一個(gè)字節(jié)，再取出下一個(gè)字節(jié)后得知是“MOV

A，07H”指令，于是控制器發(fā)出執(zhí)行這條指令的控制命令。20/152第一條指令第一個(gè)字節(jié)的示意圖。ARALUABMOSGIDIRPC00H100H2B0H07H04H0AHF4H34讀命令5DRB0H6B0H7控制信號(hào)21/152

圖3-4第一條指令第一個(gè)字節(jié)的示意圖執(zhí)行指令階段的執(zhí)行過(guò)程如下：CPU將程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容送地址寄存器AR。程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容自動(dòng)加1變?yōu)?2H，為取下一條指令作好準(zhǔn)備。器地址譯地址寄存器AR將01H通過(guò)地址總線送至譯碼，選中01H單元。CPU發(fā)出“讀”命令。所選中的01H單元的內(nèi)容07H讀至數(shù)據(jù)總線DB上。經(jīng)數(shù)據(jù)總線DB，讀出的內(nèi)容07H送至數(shù)據(jù)寄存器DR。由控制碼計(jì)算機(jī)確定讀出的是立即數(shù)，并要求將它送入累加器A中，所以數(shù)據(jù)寄存器DR通過(guò)

總線將07H送入累加器A中。22/152執(zhí)行第一條指令的示意圖。PCARALUABDRIR02H101H200

B0H0107H0204H030AH04F4H34讀命令07H567控制信號(hào)07HMOSGID23/152圖3-5

執(zhí)行第一條指令示意圖執(zhí)行第二條指令的取指過(guò)程與第一條相同，只是指令碼地址不同。經(jīng)過(guò)對(duì)第二條指令操作碼的分析（譯碼）得知第二條指令為加法指令，執(zhí)行過(guò)程如下：程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容送AR。程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容自動(dòng)加1并回送PC。地址寄存器AR的內(nèi)容經(jīng)地址總線AB送到器地址譯

。24/152CPU發(fā)出“讀”命令。所選中的03H單元的內(nèi)容0AH送到數(shù)據(jù)總線DB。數(shù)據(jù)總線DB上的內(nèi)容送數(shù)據(jù)寄存器DR。數(shù)據(jù)寄存器DR的內(nèi)容經(jīng)B寄存器送算術(shù)邏輯單元ALU的一端。累