微机原理----- 微处理器的结构及微型计算机工作原理

第二章微处理器结构及微型计算机工作原理微型计算机的基本结构存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过输入/输出接口与系统相连；(输入/输出接口简称I/O接口)各部件通过通过三总线AB、DB、CB连接。构成部件构成部件2.1CPU的基本结构与功能中央处理器简称CPU，是计算机系统的核心。主要功能：程序的执行，信息的处理，I/O设备的控制。组成：由运算器（主要为ALU），控制器，寄存器三部分组成。CPU内部结构图累加器（8位）暂存寄存器（8）标志寄存器多路转换开关指令寄存器锁存器（8）十进制调整通用寄存器阵列地址缓冲器指令译码器加1器/减1器地址锁存器程序计数器PC（16）寄存器选择堆栈指示器SP（16）定时与控制中断I/O存储器.请求写读请求请求等待时钟内部数据总线...WDRIORQMREQWAITRESETALU算术逻辑单元内部数据总线...INTRDMREQWAITRESETA15-A0DB7-DB0数据总线缓冲器/锁存器一、内部寄存器组1、寄存器：是CPU中的重要组成部分，是CPU内部的临时存储单元。增加寄存器可以提高CPU运行速度。2、存放内容：数据、地址、控制信息、CPU的工作状态信息。3、分类：可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。二、算术逻辑单元（ALU）1、ALU是运算器的主要功能部件，完成二进制补码的定点算术运算，逻辑运算，移位等操作。有的具有浮点运算功能。2、算术逻辑单元和通用寄存器的位数决定了CPU的字长。3、ALU内部没有存储功能，需设暂存器。4、ALU的运算结果影响标志寄存器。三、控制器微操作控制逻辑部件FlagCPU外部状态时序脉冲发生器脉冲源标志寄存器微操作控制信号ID指令译码器启停操作码地址码地址形成部件程序计数器+1指令控制器的基本结构图91、控制器控制器是指挥与控制整台计算机各功能部件协同工作、自动执行计算机程序的部件。2、基本结构一般由程序计数器、地址形成部件、指令寄存器IR、指令译码器ID、时序部件和控制逻辑电路等组成。（1）指令寄存器IR（InstructionRegister）用于存放当前正在执行的指令代码。（2）程序计数器PC和地址形成部件用于产生和存放下条待取指令的地址。（3）指令译码器ID用于对IR中的指令操作码进行分析解释，产生相应的控制信号，进而与时序脉冲结合产生一系列顺序微操作命令。（4）时序部件由时钟控制电路、时序脉冲发生器及CPU周期标志器组成。时钟控制电路由时钟脉冲发生器(石英晶体振荡器)和启停控制电路组成。为每条指令按时间顺序执行提供基准信号。石英晶体振荡器产生一定频率的时钟脉冲信号，作为整个机器的时间基准源。主频称为主机振荡频率，它的高低取决于这台计算机的CPU的适应能力。时序脉冲发生器可以是一个循环移位寄存器，在主时钟的作用下产生节拍序列脉冲信号，作为整机工作的时序信号。（5）控制逻辑电路控制逻辑电路用来管理执行每条指令时所产生的一系列基本动作，指挥各部件协同工作，完成指令规定的功能。3、控制器的基本功能及控制过程控制器是指挥和协调整机工作的核心。控制过程是：不断地取指令、分析指令和执行指令。（1）从存储器（主存或高速缓存）取出一条指令，指出下一条指令在存储器的地址；（2）译码分析，产生相应的控制信号，送往各功能部件；（3）控制CPU、主存和输入输出部件之间的数据流向。4、与控制过程有关的几个基本概念（1）主频：称为主机振荡频率，越高，CPU运算速度越快。（2）时钟周期：CPU执行一个位操作的最小时间单位。也是主频的倒数,表示相邻脉冲的时间间隔。（3）指令周期：计算机取出并执行一条指令所需要的时间。（4）机器周期：将指令周期划分成几个时间段，每个阶段称为一个机器周期。时钟周期≤机器周期≤指令周期（5）微操作：计算机中，一条指令的功能是通过按一定次序执行一系列基本操作完成的，这些基本操作称为微操作。微操作通常只能直接控制一个数据通路门的开或关信号，或者对触发器、寄存器进行同步写入、置位或复位的脉冲信号。（6）微指令：把同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。一条指令可分成若干条微指令。（7）微命令：是组成微指令的微操作，微命令是构成控制信号序列的最小单位。（8）微程序：计算机每条指令的功能都是由微指令序列解释完成的，这些微指令序列的有机集合称作微程序。2.2微机的工作过程计算机的工作原理是：“存储程序”+“程序控制”CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP过程：取指令、分析指令、执行指令。一、冯·诺依曼型计算机工作原理按顺序依序逐条、串行执行指令。例如：加法指令执行过程：取指1译码1取数1运算1存数1取指2译码2取数2运算2存数2…....特点：控制简单，速度低，机器各部件利用率低。二、指令的重叠执行——流水线工作原理流水线思想的提出：为提高机器速度，把程序中的多条指令在时间上重叠起来执行。五条指令重叠执行情况：1T2T3T4T5T——机器执行时间取指1译码1取数1运算1存数1取指2译码2取数2运算2存数2取指3译码3取数3运算3存数3取指4译码4取数4运算4存数4取指5译码5取数5运算5存数5可见，若将一条指令的执行时间分为五段,每段所用时间为T，则一条指令执行时间为5T。系统工作正常后每隔T时间就得到一条指令的处理结果。平均速度提高了4倍。这种工作方式称为流水线处理。优点：流水线把取指与执行分开，使取指与执行同时进行，减少了取指等待时间，大大提高了CPU的利用率。同时降低了对与之匹配的存储器的存取速度要求。问题：可能出现数据相关现象；频繁执行条件转移指令或中断指令会影响机器速度。三、微机的工作过程微机的工作过程分两阶段：取指令执行指令取指令阶段（CPU读内存操作）：地址经地址寄存器→地址总线→地址译码器,选中指令所在的内存单元CPU发出内存读控制信号指令从内存→数据总线→数据暂存器→指令寄存器指令译码器对指令进行译码由IP给出指令在内存的地址标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP执行指令阶段：经译码后的指令，由控制电路发出控制信号去执行。CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP不同的指令，CPU的具体执行过程不同。CPU可执行的操作通常有数据传送、算术逻辑运算等等。当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时，CPU在执行阶段，需对指令指定的内存单元或I/O端口进行读/写操作。例指令1：将寄存器R1与R3的内容相加，结果存在R3中。指令1在CPU内部即可完成CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP例指令2：将内存中的数据2送至CPU的寄存器R2中指令2的执行阶段包括一个到内存取数(即读内存)的过程。CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP例指令3：将寄存器R3的内容送至数据3的内存单元中指令3的执行阶段包括一个向内存存数(即写内存)的过程。CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP当一条指令取走后，指令指针寄存器会被修改成下一条要执行指令的地址，这样，当一条指令执行后，又进入取指令阶段，如此不断的重复。CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP微机的工作过程：取指令→执行指令→取指令→执行指令、、、2.38086/8088微处理器的功能结构8088一、8086/8088微处理器简介Intel系列的16位CPUIntel公司1978年研制成功2.9万个晶体管，91种指令双列直插式封装40根引脚工作频率为4.77MHz~10MHz工作电源+5V8086:对外有16根数据线，20根地址线可寻址的内存单元数220=1M内存地址范围00000~FFFFFH80868088:内部寄存器、运算部件及内部操作均按16位设计,除对外数据线为8根外，其余与8086基本相同。为与当时已有的8位外设接口芯片兼容。IBMPC、IBPPC/XT采用8088CPU8086与8088的主要区别在于8086的外部数据总线为16位。二、8086/8088的编程结构编程结构：指从程序员和使用者的角度看到的结构。与芯片内部的物理结构和实际布局有区别。某CPU芯片内部实物图总线接口部件BIU（BusInterfaceUnit）→运输部门执行部件EU(ExecuteUnit）→加工部门DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组BIUABDBCB地址加法器指令队列PSW标志寄存器EU运算器8088编程结构DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组BIUABDBCB地址加法器指令队列PSW标志寄存器EU运算器〈一〉8088编程结构:1.总线接口部件BIU构成部分•4个16位段寄存器：CS，DS，ES，SS•16位IP指令指针寄存器•20位地址加法器•指令队列(8088为4字节)(8086的指令队列为6字节)•总线控制电路(包括三组总线)：处理器与外界总线联系的转接电路。DSESSSCSIP数据暂存器PSW标志寄存器执行部件控制电路指令译码器AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组指令队列总线接口控制电路运算器地址加法器8088编程结构BIUEU主要功能实现CPU与存储器或I/O口之间的数据传送。预取指令存放到指令队列中；由EU从指令队列中取走指令，根据EU请求，BIU将20位地址传送给存储器。三点说明:指令队列8086的指令队列为6个字节,8088的指令队列为4个字节。BIU具有预取指令的功能，是一种先进先出（FIFO）的数据结构。不论是8086还是8088都会在执行指令的同时从内存中取下一条或几条指令，取来的指令放在指令队列中.指令执行顺序顺序指令执行：指令队列存放紧接在执行指令后面的那一条指令。执行转移指令：BIU清除指令队列中的内容，从新的地址取入指令，立即送往执行单元，然后再从新单元开始重新填满队列。2．执行部件EUDSESSSCSIP数据暂存器PSW标志寄存器执行部件控制电路指令译码器AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组指令队列总线接口控制电路运算器地址加法器8088编程结构BIU