第三章 微体系结构层——cpu组织

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1、第三章微体系结构层——CPU组织§3.1CPU的组成与功能§3.1.1CPU的组成与功能CPU的组成：控制器、运算器、各种寄存器、CPU内部总线等几部分组成。1.ALU部件与寄存器⑴ALU部件ALU部件的功能：提供算术运算、逻辑运算、各种比较运算、其他运算（数制转换、按位加、循环加）等。⑵寄存器①通用寄存器：存放操作数、操作数地址、运算结果。a.通用寄存器组AX(AH，AL:累加器)─┐BX(BH，BL:基址寄存器)│主要用于存放操作数或中间结果，以减少访问CX(CH，CL:计数器)│存储器的次数。DX(DH，DL:数据寄存器)┘b.指示器及变址器组SP(堆栈

2、指示器)─┐│可存放数据，更重要的用途是存放内存单元的偏移地址BP(基地址指示器)┘SI(源变址寄存器)─┐│通常用于寻址使用DI(目标变址寄存器)┘②暂存寄存器：暂时存放一些主存读出的数据。③IP(指令指示器)：指令指针寄存器，用存放预取指令的偏移地址。CPU从代码段中偏移地址为IP的内存单元中取出指令代码的一个字节后，IP自动加一，指向指令代码的下一个字节。注意：用户程序不能直接访问IP。（用来存放当前正在执行的指令）④程序计数器PC：存放当前要执行的指令的地址。在80X86中，PC和IP的作用是相同的。⑤状态寄存器FR(标志寄存器)例如：CF(进位标志)

3、──进行加、减法运算时，若最高位发生进位或借位时，CF=1，否则CF=0。PF(奇偶标志)──当逻辑运算的结果，低8位中“1”的个数为偶数时，PF=1，为奇数时PF=0.AF(辅助进位标志)──在8(16)位加、减法操作中，低4位向高4位有进位14或借位发生时，AF=1，否则AF=0.ZF(零标志)──当运算结果为零时ZF＝1，否则ZF=0.SF(符号标志)──当运算结果最高位为1时，SF=1，否则SF=0.OF(溢出标志)──当运算结果超出带符号数的范围，即溢出时OF=1，否则OF=0.DF(方向标志)──DF=1时，串操作按减地址方式进行，即从高地址开始，

4、每操作一次地址减少一次；DF=0时，使串操作按增地址方式进行。IF(中断允许标志)──IF=1时，CPU可以响应可屏蔽中断请求；IF=0时，PU不能响应可屏蔽中断请求；TF(跟踪标志)──TF=1时，CPU处于单步执行指令的工作方式，即每执行一条指令后，自动产生一个内部中断，以便使用户逐条检查指令程序。此外还有：a.段寄存器8086/8088总线接口部件有四个段寄存器，即代码段寄存器：CS堆栈段寄存器：SS数据段寄存器：DS附加段寄存器：ESb.指令队列寄存器(8086:6B/8088:4B)指令队列寄存器是一个能存放6字节代码的预取指令寄存器。指令队列类似一

5、个先进先出的栈，在CPU执行指令过程中，为CPU提供指令。当指令队列中出现两个以上字节空时，不用EU发出请求，BIU就自动执行取指令操作。2.总线总线：是一组能为多个部件分时共享的公共信息传输线，分时接收各个部件送来的信息，并发送信息到各个部件。总线有：地址总线、数据总线和控制总线三类。实现CPU、存储器、I/O三者之间的数据传输。3.CPU内部数据通路⑴单总线数据通路结构14单总线：单总线是一组公共信号线，整个计算机系统中的CPU、主存储器、I/O设备都挂在这条总线上。单总线一般是双向结构的。单总线的特点：连接线少、控制简单；所有数据的发送和接受都由总线控制

6、器（总线仲裁）进行控制，某一时刻只允许一个部件在总线上发送信息，其他需要总线的部件只能等待总线空闲，这样使CPU的整个工作速度降低；总线上所有的I/O设备和主存统一编址的选择方式，没有专用的I/O接口指令。⑵多组内总线结构（参科大P8）双总线：CPU具有到主存储器和I/O设备各自的总线，这种结构CPU分别在两条总线上与主存或I/O接口交换数据，相当展宽了总线带宽，提高了总线的数据传输速率。多总线：目前高档微型计算机和工作站或多处理机系统中都采用双总线或多总线结构，以提高数据传输速率。§3.1.2指令执行过程1.指令的分段执行过程指令的执行过程如下：⑴取指令⑵分

7、析指令⑶执行指令：①取操作数；②执行操作；③形成下一条指令地址。2.指令之间的衔接方式⑴串行顺序连接方式：该方式下，一条指令指行完毕以后再开始读取下一条指令，串行顺序执行。特点：控制简单，但时间上不能充分利用部件。⑵指令重叠衔接执行：在对当前指令执行操作的同时提前从主存预读取下一条指令，不必等待当前指令全部执行完，以哟提高程序执行的速度。特点：对于顺序执行的程序段该方式很好，对于包含有转移的程序，预取指令则会造成程序执行的失败。§3.1.3时序控制方式时序：时间顺序。在计算机中就叫时钟，是按照某种方式产生的一个脉冲序列。时序控制：用时钟控制程序的执行过程，或用

8、时钟控制计算机系统工作的过程。计算机中