计算机原理与操作系统1

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1、第三章：计算机主机的工作原理CPU的组成及工作原理存储器及存储器的工作原理总线3.1CPU的组成及工作原理CPU概念：中央处理器(CPU:CentralProcessingUnit)是整个计算机的核心。传统的CPU组成：运算器、控制器。（在诺曼机的定义中）现代的CPU的基本部分有：运算器、Cache和控制器。CPU是控制并执行指令的部件，该部件不仅要与计算机的其它功能部件进行信息交换，还要控制它们的操作。CPU的基本功能：1、能够进行算术运算和逻辑运算；2、能对指令进行译码、寄存并执行指令所规定的操作；3、具有与存储器和I/O接口进行数据通信的能力；4、少量数据

2、的暂存；5、能够提供系统所需的定时和控制信号；6、能够响应输入输出设备发出的中断请求。一、CPU的一般结构及工作原理CPU的一般结构一条指令在微处理器中执行的过程如下：1、程序计数器PC指出当前指令地址，并且把指令地址放到地址总线上，然后为取下一条指令做好准备。2、由数据总线将指令从存储器中取出，送至寄存器，经指令译码，控制电路产生完成该指令的各种控制信号。3、取出该指令所需的操作数地址和数据4、完成该指令的操作。5、检查有无其它控制信号，并作出相应处理。6、提供指示处理器状态的标志信号、控制信号及定时信号等。1、算术逻辑运算部件ALU数据来源：内部寄存器、外部

3、数据总线（存储器）主要功能：1、执行各种算术运算，给出相应的标志位；2、执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试。通常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判决。完成算术逻辑操作的有关部件（运算器）为什么要设置暂存器和锁存器1）暂存器如果是一个操作数，用累加器就能解决，两个操作数就必须将别一个暂存到暂存器。2）锁存器ALU本身没有寄存功能，其结果会马上占用内部总线。如何将累加器的结果保存下来，又不再反馈到ALU的输入端，所以设置了锁存器。标志寄存器F又称为状态寄存器，用来保存算术或逻辑运算的状态，如运算结果进位标志(Carry)、溢出标志(Overfl

4、ow)、零标志(Zero)、奇偶性标志(Parity)、符号标志(Sign)等等。2、控制部件控制部件的作用是控制程序的执行，是整个系统的指挥中心，必须具备如下基本功能：指令控制：计算机的工作过程就是连续执行指令的过程。指令在存储器中是连续存放的，按照顺序一条条取出执行。控制器要根据指令所在的地址取出指令，分析指令。操作控制：管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。时序控制：对各种操作实施时间上的定时，称为时序控制。数据加工：所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。控制器内部主要由

5、以下几个部分组成：程序计数器PC(programcounter):用来存放下一条要执行的指令在存储器中的地址。指令寄存器IR(instructionregister):用来存放从存储器中取出的待执行的指令。指令译码器ID（instructiondecoder):对指令进行“翻译”，确定要进行什么样的操作。控制电路:根据分析，发出控制信号，完成该指令的所有操作。3、寄存器部件寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的原始数据、中间结果、最终结果以及控制、状态信息的，分为通用寄存器和专用寄存器两大类。通用寄存器和专用寄存器1）通用寄存器用来存放原始数据和运算结果，有的还

6、可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。现代计算机中为了减少访问存储器的次数，提高运算速度，往往设置大量的通用寄存器。通用寄存器一般可以由CPU直接访问。2）专用寄存器专门用来完成某一特殊功能寄存器。它们是：指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、缓冲寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、状态条件寄存器（PSW）。采用多寄存器结构的目的1）可补偿采用单总线的速度损失2）可实现取指令和执行指令的并行操作3）可以保存中间结果4）给编程带来灵活性堆栈和堆栈指针1）设置堆栈的目的调用子程序和中断处理时，要保存现场信息，如中间结查、标志等。子程序或中断处

7、理结束后要恢复现场信息，为此在内存中需要专门开辟一专用空间来保存上述信息，此谓堆栈。那为什么要设这个堆栈呢：原因很简单：如果要存放一批数据，每一个数据都需要记住其所在的地址单元，比较麻烦。如果规定数据一定是一个接一个地存放，那么只要知道第一个数据所在的单元地址就可以了2）堆栈的工作方式堆栈就是这样一种数据结构。它是在内存中开辟一个存储区域，数据一个一个顺序地存入（也就是“压入——push”）这个区域之中。有一个地址指针总指向最后一个压入堆栈的数据所在的数据单元，存放这个地址指针的寄存器就叫做堆栈指示器。开始放入数据的单元叫做“栈底”。数据一个一个地存入，这个过程

8、叫做“压栈”。在压栈的过