【计算机组成与结构】中央处理器
CPU
CPU(Central Processing Unit)：中央处理单元，作为整个系统的核心，分为8位、16位、32位、64位。
CPU的组成：控制单元、ALU、存储单元（cache、寄存器）
（1）1000（2）2000（3）2000（4）3000（4）3000（5）3000（6）2000
1.寄存器寻址，操作数为R中的数值为1000
2.寄存器间接寻址，操作数在内存中，其地址为R中的数值，即地址为1000，此时存储单元中存储的数值为2000
3.直接寻址，操作数在内存中，其地址为1000，地址为1000的存储器中存储数据为2000，所以访问到的指令操作数为2000
4.存储器间接寻址，1000——>2000,2000——>3000 所以访问得到的指令操作数为3000
5.相对寻址-2000，因为操作数在内存中，地址为PC-2000=2000,2000——>3000
6.立即数寻址，指令中直接给出操作数，为2000
CPU的主要技术指标：
主频：CPU的时钟频率，即CPU进行运算时的工作频率。主频数值越高，CPU的速度越快。
外频：即系统总线，CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。
倍频：原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来无限提升。那么CPU主频的计算方式 变为：主频 = 外频 *倍频
地址总线的宽度：CPU可访问的物理地址空间。
数据总线宽度：CPU与其他设备之间一次能传输的数据量。
制造工艺： 在硅材料上生产cpu时内部各元器件的连接线宽度 单位是nm
片内缓存：即L1 Cache。集成在CPU核心内，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。L1级高速缓存缓存的容量越大，存储信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU 的运算效率。
片外缓存：即L2 Cache。集成在CPU核心外。为了提高L1级高速缓存容量的限制设置的高速存储器。
外部缓存：L3 Cache。为了再次提高CPU的运算速度使用的三级缓存，CPU读取数据的查找顺序：L1——>L2——>L3
计算机工作过程：
数据和程序输入到存储器——>从程序入口开始执行程序——>执行完程序，结束运行
计算机的硬件系统
以Intel 80386微机系统为例
80386微机系统：
微处理器：系统中最主要的控制、处理部件，从存储器中取出的指令主要在微处理器中处理
时钟发生器：在机器加电时产生整机复位信号reset，使计算机各部件处于初始状态
协处理器：扩充了微处理器的指令系统，主要完成浮点数和高精度整数的运算，微处理器自动将取得的协处理器指令传送给协处理器。微处理器与协处理器同步工作。
总线控制逻辑：微处理器通过总线与存储器、输入输出设备交换信息（地址信号、数据信号、控制信号）
存储器：存放数据和指令
输入输出设备：完成输入输出操作
DMA控制器及中断控制器：前者能够通过一组专用总线将内部和外部存储器与每个具有DMA能力的外设连接起来。后者用来给予CPU一个中断信号,按级别划分下来,对请求进行处理。
准备好（ready）逻辑：由存储器发向微处理器，表示操作已经完成（目前集成到微处理器中）
80386结构及外部连线：
包括指令部件、执行部件和存储器管理部件等。
控制器的组成
控制器的功能
计算机的功能：执行程序——依次排列起来的指令代码
控制器的功能：正确、自动地连续执行指令，完成每条指令规定的功能，向计算机各功能部件提供协调运行每一个步骤所需要的的控制信号。
执行程序：从程序首地址开始，分步执行指令并形成下一条要执行的指令的地址，自动地连续执行指令直到最后一条指令。
控制器的具体功能
取指令：当程序已经在存储器中，首先从程序入口取第一条指令，并发出指令地址及控制信号
分析指令：分析取得的指令，指出它需要进行的操作并产生相应的控制命令，如果需要的操作数在存储器中，还要形成操作数地址。
执行指令：根据分析指令时产生的操作命令和操作数地址形成相应的操作控制信号序列，通过运算器及I/O设备的执行，实现 每一条指令的功能，其中包括对结果的处理、下一条指令地址的形成。
控制程序和数据的输入与结果输出：
对异常情况和某些请求的处理：相应部件发出中断请求信号或DMA请求信号，CPU优先处理
控制器的组成
指令部件：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、地址形成部件
- 程序计数器（PC）
- 指令寄存器（IR）
用来存放当前正在执行的命令
- 指令译码器（ID）
对指令寄存器中的操作码进行分析，并产生相应的控制信号
- 地址形成部件
时序部件：脉冲源、启停控制逻辑、时序控制信号形成部件
- 脉冲源
用来产生具有一定频率和宽度的时钟脉冲信号，为整个机器提供基准信号
- 启停控制逻辑
根据计算机的需要，可靠地开放或封锁脉冲，控制时序信号的发生或停止，实现机器的正确启动或停止。
- 时序控制信号形成部件
根据当前正在执行的指令的需要，产生相应的时钟控制信号，并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号。
- 指令执行步骤标记线路
指明每条指令的执行步骤
控制器基本组成框图
控制器的分类：
微程序控制器
硬布线控制器
T1： D
构成运算器的部件：算术逻辑单元ALU 累加器 状态寄存器 通用寄存器组
T2：B
T3：C
控制器由程序计数器IP 指令寄存器IR 指令译码器ID和时序信号发生器等组成
T4：C
指令执行过程
组成控制器的基本电路
（1）触发器及由它组成的寄存器、 计数器和存储单元等，特点是具有记忆功能。
（2）门电路及由它组成的加法器、算术逻辑运算单元和各种逻辑电路。特点是没有记忆功能。
指令执行过程
B
时钟周期：CPU工作的最小时间单位，通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。
指令周期：一般由若干个机器周期组成，是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。
CPU周期：又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
一条加法指令周期等于四个机器周期，每个机器包括两个时钟周期。
微程序控制计算机的基本工作原理
产生控制信号有两种方法：微程序控制和硬布线控制
微程序控制的基本概念
微操作：一条指令的取出和执行可以分解成很多最基本的操作，这种最基本的不可再分割的操作称为微操作，又称为微命令。
微指令：在微程序控制的计算机中，由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。
微程序：微指令序列的集合就叫微程序。
微周期：一条微指令所需的执行时间。
控制存储器：全部的微程序有机的组成在一起，存放在存储器中的即控制存储器。
执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序
实现微程序控制的基本原理
1.控制信号
取微指令
计算地址微指令
取数微指令
加法运算和送结果微指令
2.控制信号的产生
微指令最简单的组成形式是将每个控制信号用一个控制位来表示，当该位为1时，有控制信号，该位为0时，没有控制信号。
微程序设计技术
微程序设计三个注意的问题：
（1）微指令字长尽可能短 （2）微程序长度尽可能短 （3）提高微程序的执行速度
微指令由两部分组成：控制字段和下址字段。
控制信号字段编码；为每一条微指令分配在控制存储器中的微地址。
控制字段编码的四种方法：
1.直接控制法
控制字段的每一位代表一个微命令， 用0和1代表是否发出命令。
优点：结构简单，并行性强，操作速度快。
缺点：控制字段长。
2.字段直接编译法
优点：微指令字长最短。
缺点：要通过一个微命令译码器译码以后 才能得到需要的微命令。
3.字段间接编码法
对直接译码的改进，进一步缩短微指令的长度，即一个字段的某些微命令要由另一字段 中的某些微命令来解释。
4.常数源字段法
微指令中分配几位用于给出特定用途的有关数值。有时又称发射字段。
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