第2章22CPU的逻辑结构与原理
第二章习题(带答案)
第二章判断题F 1 CPU中的控制器用于对数据进行各种算术运算和逻辑运算。
（判断）T 2 CPU主要由运算器、控制器和寄存器组三部分组成。
（判断）F 3 PCI总线常用于连接高速外部设备的I/O控制器，它包含有128位的数据线。
（判断）T 4 PC机采用I/O总线结构有很多优点，例如，简化了系统设计、便于系统的扩充升级。
（判断）T 5 PC机常用的输入设备为键盘、鼠标，常用的输出设备有显示器、打印机。
（判断）F 6 PC机的常用外围设备，如显示器、硬盘等，都通过PCI总线插槽连接到主板上。
（判断）F 7 PC机可以连接多种I/O设备，不同的I/O设备往往需要使用不同的I/O接口，而同一种I/O接口只能连接同一种设备。
（判断）F 8 PC机中常用外围设备的I/O控制器都必须做成适配卡插在主板上的PCI总线插槽中。
（判断）T 9 PC机中所有部件和设备都以主板为基础进行安装和互相连接，主板的稳定性影响着整个计算机系统的稳定性。
（判断）F 10 当前正被CPU执行的程序必须全部保存在高速缓冲存储器（Cache）中。
（判断）T 11 高速缓存（Cache）可以看作主存的延伸，与主存统一编址，接受CPU的访问，但其速度要比主存高得多。
（判断）T 12 光学鼠标具有速度快，准确性和灵敏度高，不需要专用衬垫，在普通平面上皆可操作等优点，是目前流行的一种鼠标器。
（判断）T 13 计算机系统中I/O设备的种类多，性能相差很大，与计算机主机的连接方法也各不相同。
（判断）F 14 键盘中的F1~F12控制键的功能是固定不变的。
（判断）F 15 随着计算机的不断发展，市场上的CPU类型也在不断变化，但它们必须采用相同的芯片组。
（判断）F 16 系统维护过程中，为了适应软硬件环境的变更而对应用程序所做的适当修改称为完善性维护。
（判断）适应性维护F 17 由于计算机通常采用“向下兼容方式”来开发新的处理器，所以，Pentium和Core 系列的CPU都使用相同的芯片组。
寄存器CPU工作原理
考虑：CPU如何产生20位的物理地址呢？
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3
16位结构的CPU
8位机：8080，8085 16位机：8086 32位机：80386，80486 N位结构的含义：
运算器一次最多可以处理N位数据； 寄存器的最大宽度为N位 寄存器和运算器之间的通路是N位
IP：指令指针寄存器 CS和IP就指示了CPU当前要读取指令的地
址 设8086机中CS中内容为M，IP中内容为N，
则8086CPU将从内存M*16+N单元开始， 读取一条指令来执行 我们又可以表示成CS:IP
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12
8086CPU的工作过程
初始状态
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13
8086CPU的工作过程（续）
了解CPU的组成； 掌握各种寄存器，尤其是通用寄存器； 理解字在寄存器中的存储； 掌握几条简单的汇编指令; 掌握8086CPU的物理地址的形成； 了解段寄存器，掌握CS和IP的合用； 掌握jmp指令； 熟悉Debug调试工具；
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29
作业
检测点2.2,2.3
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30
Debug命令
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31
D命令——Display
使用D命令查看内存中的内容
格式1：d 段地址：偏移地址
• 功能：列出从指定内存单元开始的128个内存单元 的内容
格式2：d 段地址：起始偏址 结尾偏址
使用多种不同的段地址和偏移地址来查看 同一个物理地址的内容
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32
E命令——Enter
改写内存中的内容 格式：e 起始地址 数据 数据 数据……… 或者可以用E命令提问的方式来逐个修改从
单片机CPU的内部结构
• 最大模式：存储器与IO读写 信号由总线控制器产生，要 较多外围芯片。
• 最小模式：存储器与I/O读写 信号由CPU直接提供，外围 芯片较少。
联合使用。CPU每5个
10
时钟时钟周期检测一次
11
12
TEST信号，如高，继
13
续执行WAIT，否则， 跳过WAIT指令，执行
14 15 AD0 16
后续指令。
NMI 17 INTR 18
Intel 8088
33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 TEST
• 可用来支持实现多CPU 协同工作。
14
) DF：方向标志，用来控制串操作指令的执 行。
– DF=0则串操作指令的地址自动增量； – 若DF=1，则自动减量。
) IF：中断标志，用来控制对可屏蔽中断的响 应。
– IF=1, 则允许CPU响应可屏蔽中断； – IF=0，则CPU不能响应可屏蔽中断。
) TF：单步标志。
– 若TF=1，则CPU进入单步工作方式，即CPU每执 行一条指令就自动产生一次内部中断；
Intel 8088
40 39 A15 38 A16/S3 37 36 35 A19/S6 34 33 32
31
30 29 28 27 26 25 24 23
共20根地址线，寻址空间
19 20
21
为：220＝1M
22
21 22
1
40
数据总线
A14 2 3
39 A15 38 A16/S3
4
37
分时输出的AD0～AD7，
5第一节cpu的内部逻辑结构一cpu的组成和功能1cpu的组成cpu主要由运算器控制器寄存器组和片内总线等组成2cpu的功能1指令控制2操作控制3时序控制4执行指令5数据加工运算2eu20位地址ahalbhbl加法器biuchcldhdlspesbpds总线siss控制csipdi逻辑数据算逻部件执行部件控制123456标志寄存器系统指令队列8086微处理器的内部结构4具体的说地址加法器将段寄存器16位的内容左移4位然后与指令指针寄存器ip的内容相加得到20位的物理地址
第二章 计算机组成原理
时钟频率的发展：
400MHZ---533MHZ---800MHZ，即将达到1066MHZ [单选]用MHz来衡量计算机的性能，它指的是计算机__________。
ACM 图灵奖
1966年由ACM（美国计算机学会）创建，该奖有计 算机界的诺贝尔奖之称。
IEEE 计算机先驱奖
1980年由IEEE-CS(美国电气与电子工程师学会-计 算机学会)创建，是世界范围内计算机科学技术领域另 一个最重要的奖项，和图灵奖是互为补充的。
计算机的诞生与发展
对计算机的诞生发展做出重大贡献的两个人：
(a) NEC SX-6/64MB巨 型计算机外形
(b) 全球气温分布与 变化趋势图
计算机的分类
大型计算机（Mainframe）
运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安 全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机， CPU 通常有 4 、 8、16、32个甚至更多处理器。
功能： 为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务 器（企业级服务器），在信息系统中起着核心作用。
内存储器
控制器CU RAM
外部存储器－－硬盘 、软盘、光盘、磁带
外设
输入设备－－键盘、鼠标器、扫描仪 输出设备－－显示器、打印机、绘图仪 其他设备－－调制解调器
计算机的组成
台 式 机
PC机的物理组成
机箱、显示器、键盘、鼠标器等
机箱内包含:
主板、硬盘、软驱、光驱、
电源、风扇等
主板上安装
CPU、芯片组、内存条、
第二章
计算机组成原理
第二章AT89s52单片机的结构
2. I/O接口电路 CPU和外围设备进行信息交换都要通过接 口电路来进行。AT89S52单片机内部集 成4个可编程的并行I/O口（P0~P3）， 每个输出接口电路都具有锁存器和驱动 器，输入接口电路都具有三态门控制
2.4 AT89S52单片机的封装 及引脚功能
2.4.1
PDIP封装的AT89S52单片机引 脚及功能 2.4.2 PLCC 和 TQFP 封装的 AT89S52 单片机引脚及功能
P0.4 P0.5 P0.6 P0.7
EA / VPP
NC
ALE/ PROG PSEN
P2.7 P2.6 P2.5
WR / P3.6
图2.4.3 TQFP封装形式的AT89S52单片机引脚排列图
RD / P3.7
XTAL2 XTAL1 GND NC P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
通过软件对特殊功能寄存器SFR的辅助寄 存器AUXR1进行设置，便可以选择 DPTR0或DPTR1。AUXR1是一个不可进 行位寻址的特殊功能寄存器，其复位值 ＝XXXX XXX0B，地址＝0A2H。
2.3 存储器和I/O接口电路
1．AT89S52单片机的存储器 AT89S52 单 片 机 芯 片 内 配 置 有 8 KB 的 Flash 程序存储器和 256B 的数据存储器 RAM，根据需要可外扩最大64KB的程序 存 储 器 和 6 4 KB 的 数 据 存 储 器 ， 因 此 AT89S52 的存储器结构可分为4 部分，片 内程序存储器、片外程序存储器、片内 数据存储器和片外数据存储器。
XTAL2 XTAL1 GND NC P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4
第二章理论复习题(计算机信息技术基础)
第二章理论复习题第二章计算机组成原理基础知识必做题2.1计算机组成与分类[1]．下列关于计算机组成的叙述中，正确的是__________。
A．一台计算机内只有一个微处理器B．外存储器中的数据是直接传送给CPU处理的C．输出设备能将计算机中用“0”和“1”表示的信息转换成人可识别的形式D．I/O控制器用来连接CPU、内存、外存和各种输入输出设备[2]．计算机是一种通用的信息处理工具，下面是关于计算机信息处理能力的叙述：①它不但能处理数据，而且还能处理图像和声音;②它不仅能进行计算，而且还能进行分析推理;③它具有几乎无限的信息存储能力;④它能方便而迅速地与其它计算机交换信息.上面那些叙述是正确的？A．①、②和④B．①、③和④C．①、②、③和④D．②、③、④[3]．计算机有很多分类方法，下面________是按其内部逻辑结构进行分类的。
A．服务器/工作站B．16位/32位/64位计算机C．小型机/大型机/巨型机D．专用机/通用机[4]．下列不属于个人计算机的是________。
A．台式机B．便携机C．工作站D．服务器[5]．下面关于个人计算机(PC)的叙述中，错误的是________。
A．个人计算机属于个人使用，一般不能多人同时使用B．个人计算机价格较低，性能不高，一般不应用于工作(商用)领域C．目前PC机中广泛使用的一种微处理器是Pentium4D．Intel公司是国际上研制和生产微处理器最有名的公司[6]．按照性能、价格和用途，目前计算机分为________、大型机、小型机和个人计算机。
[7]．巨型计算机大多采用________技术，运算处理能力极强。
[8]．计算机具有“记忆”和“逻辑”判断的能力。
[9]．计算机硬件指的是计算机系统中所有实际物理装置和文档资料。
[10]．计算机具有通用性好、速度快、处理功能强的优点，因此又称它为“电脑”，它能代替人类大脑的全部活动。
[11]．第一台电子计算机是在上世纪40年代诞生的。
第2章 微型计算机和微处理器的结构
2.1.1 微处理器（微处理机）
微处理器：是微型计算机的中央处理部件，是由一片 或几片大规模集成电路组成的中央处理器，一般也称 CPU（Center Process Unit）。其内部通常包括算术逻辑 部件，累加器、通用寄存器组，程序计数器，时序和控制 逻辑部件，内部总线等等。 2.1.2 存储器
存储结果 1
取指令 4
……
EU
……
译码 1
执行 1
译码 2
执行 2
……
（b）流水处理
如图： 8086/8088 CPU 由于指令执行部件EU和总线接口 部件BIU相互独立，可并行操作，进行流水线处理。若一条指 令执行过程中不需要从存储器取操作数和向存储器存储结果， 即不占CPU总线时间，总线接口部件便可对下一条要执行的指 令预取。可见。采用流水线技术提高了指令执行速度。
2.2.3 8086/8088微处理器的功能结构 从功能上来看，8086/8088 CPU可分为两部分，即总线接 口部件BIU（Bus Interface Unit）和执行部件EU（Execution Unit）。
图2.3 8086/8088CPU内部功能结构图
(1) 执行部件（EU）
功能：负责指令的执行。(主要进行8位及16位的各种运算) 组成：①ALU(算术逻辑单元)； ②通用寄存器组； ③标志寄存器（ FLAGS ）。 ①通用寄存器（AX、BX、CX、DX） 8086 有4个16位的通用寄存器（AX、BX、CX、DX）， 可以存放16位的操作数，也可分为8个8位的寄存器（AL、AH； BL、BH；CL、CH；DL、DH）来使用。其中AX称为累加器， BX称为基址寄存器，CX称为计数寄存器，DX称为数据寄存 器。这些寄存器在具体使用上有一定的差别，如表2-1所示。
第二章 第二章可编程序控制器的结构和工作原理
第二章可编程序控制器的结构和工作原理2.1 可编程序控制器的组成与基本结构PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC 也是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入/输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言，具有更适应于工业环境的抗干扰性能。
因此，PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
一、可编程序控制器的硬件系统PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。
1. 主机系统图2.1 PLC结构示意图(1) 微处理器单元(Central Processing Unit，CPU)。
CPU是PLC的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。
微处理器是PLC的运算控制中心，由它实现逻辑运算，协调控制系统内部各部分的工作。
它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。
(2) 存储器。
存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。
它包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。
只读存储器(ROM)在使用过程中只能取出不能存储，而随机存取存储器(RAM)在使用过程中能随时取出和存储。
(3) 输入/输出模块单元。
PLC的对外功能主要是通过各类接口模块的外接线，实现对工业设备和生产过程的检测与控制。
通过各种输入/输出接口模块，PLC既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。
通过输入模块单元，PLC能够得到生产过程的各种参数；通过输出模块单元，PLC能够把运算处理的结果送至工业过程现场的执行机构实现控制。
为适应工业过程现场对不同输入/输出信号的匹配要求，PLC配置了各种类型的输入/输出模块单元。
(4) I/O扩展接口。
I/O扩展接口是PLC主机为了扩展输入/输出点数和类型的部件，输入/输出扩展单元、远程输入/输出扩展单元、智能输入/输出单元等都通过它与主机相连。
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“存储程序控制” 原理
将问题的解算步骤编制成为程序，程序连同它所处理的数 据都用二进位表示并预先存放在存储器中
程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的 数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到 程序执行完毕为止
外存储器
①任务启动时，执行 该任务的程序和数据 从外存成批传送到内 存 ⑤任务完成后，将处 理得到的全部结果成 批传送到外存以长久 保存
指令1 指令2
指令k 指令n
数据1 数据2
程 序
内 存 储 数器
据
数据m
②CPU从内存中逐条 读取该程序的指令及 相关的数据 ④将指令的运算处理 结果送回内存保存
CPU
操作命令
寄 存 器 组
运
中 央
算处
器
理 器
暂存等待处 理的数据
完成规定的运 算
运算器(ALU)与通用寄存器(GPR)
运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻 辑部件 (ALU)，参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器 GPR ，运算结果也送回GPR
例1:取数指令
LOAD
R3
LOAD
为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”开发新的处理器，即所有新 处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。例如： Pentium比80386增加了的80多条浮点指令， Pentium II比Pentium增加了50多条处理多媒体信息的指令（Multimedia Extension，称为MMX）， Pentium III比Pentium II增加了70条处理128位长操作数的流式单指令多数据 指令(Streaming SIMD Extention,SSE)
64位、128位等）而区分为许多不同的指令，因此
Intel公司CPU有数以百计的不同的指令
关于Intel公司CPU的指令系统
产品发展过程为：8088（8086）→80286 →80386→80486 →Pentium →Pentium PRO→Pentium II →Pentium III → Pentium 4 → 奔腾D → 奔腾至尊 →酷睿 →酷睿2 →Core i3/ i5/ i7
指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组 成：
操作码
操作数地址
指出CPU应执行何种操作的一 个命令词，例如加、减、乘、 除、取数、存数等
指出该指令所操作(处理)的数 据或者数据所在位置
举例: 10 02 06
把02存储单元和06存储单元中的内 容相加，和数保存在02单元
CPU的结构和任务
3. 执行指令 3.1 取操作数 3.2 进行运算
4. 修改指令计数器，决定下 一条指令的地址
指令执行周期
1 取指令
2 指令译码
4 修改指 令计数器
3 执行指令
通常，每一步需要1个或几个时 钟周期才能完成
关于指令系统
CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统， 即它的机器语言
指令应该简单，简单才能提高速度(RISC)!
software hardware
instruction set
指令及其格式
指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成：
操作码
操作数地址
指出CPU应执行何种操作的一个命 令词，例如加、减、乘、除等
指出该指令所操作(处理)的数 据或者数据所在位置
指令的格式：
操作码用几位表示？(多少种不同的操作功能)
③ CPU 逐 条 执行指令,按 指令要求完 成对数据的 运算和处理
CPU的任务
CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对 数据进行操作
存储数据 和指令
执行指令 处理数据
存储器
指令，数据
中央 处理器
处理结果
指令是什么？
指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构 成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的
CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成 CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作
已经启动运行 的程序和数据
程 指令1 序 指令2
指令k
指令n
内 数 数据1 存 据 数据2
储 器
数据m
指令地址 指令
操作数地址 数据
存放待执行 指令的地址
存放待执行的 指令并进行译
码
指令计数器 控 制
指令寄存器 器
关于指令的操作功能
指令系统中的指令分成许多类，例如Intel公司的奔腾 和酷睿处理器中，共有七大类指令：
数据传送类
■ 算术运算类
逻辑运算类
■ 移位操作类
位(位串)操作类 ■ 控制转移类
输入/输出类等
每一类指令（如数据传送类、算术运算类）又按照操
作数的性质（如整数还是实数）、长度（16位、32位、
1. 操作功能要简单，不宜太多、太复杂 2. 指令的格式要统一：固定长度、统一分段 3. 操作数的来源要有限制：
算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器 LOAD/STORE指令的操作数来自(或送到)内存
▪ 寄存器内存 内存寄存器
ARM处理器符合上述要求， Intel 处理器由于历 史的原因，并不符合上述原则！
R5
例2：加法指令
内存地址A 内存地址B
通用寄存器GPR
0 1 2 3 4 5 6 7 27
36 9 27 9
36 ALU
ADD
R1
R3
R5
(3＃寄存器内容与5＃寄存器内容相加， 并把和数写入1＃寄存器)
例3：存数指令
STORE R1
内存地址C
A
9
B
27
~~ 内存储器 ~~
C
36
2.2.2 指令与指令系统
2.2 CPU的逻辑结构 与工作原理
2.2.1 CPU的逻辑结构 2.2.2 指令与指令系统 2.2.3 CPU的性能指标
2.2.1 CPU的逻辑结构
冯·诺依曼计算机的结构与原理
存储器
中央 处理器
输入设备
运算器和控制器
输出设备
(1) 计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计 算机理解和执行的操作命令；
操作数地址是2个还是3个？
R1R3+R5
ADD
R1
R3
R5
R1R1-R3
SUB
R1
R3
如何指出内存地址？(寻址方式)
指令长度是多少位，固定长度/可变长度？
指令在计算机中的执行过程
1. 取指令：CPU的控制器从 存储器读取一条指令并放
2. 指令译码：指令寄存器中 的指令经过译码，决定该 指令应进行何种操作、操 作数在哪里