Lecture 18 中央处理器-指令运行的基本过程 - 作业参考答案 - 副本
计算机组成课后习题答案
闪存可以分为NOR Flash和NAND Flash两种类型。
工作原理
闪存的主要功能是可擦写、非易失性存储数据。NOR Flash读取速度快，适用于代码存储；NAND Flash容量大 、成本低，适用于大量数据的存储。闪存的擦除和编程操作需要特定的电压和时序。
04
输入输出设备
键盘的工作原理与分类
THANKS
感谢观看
成字符或汉字。
05
数据传输方式
并行传输与串行传
并行传输
指数据以多个通道同时传输，适用于近距离、高速传输，如 CPU与内存之间的数据交换。
串行传输
指数据一位一位地顺序传输，适用于远距离、低速传输，如 网络通信。
数据传输速率
数据传输速率
指单位时间内传输的数据量，通常以比特率（bit per second）表示。
影响数据传输速率的因素
包括信号带宽、信噪比、误码率等。
数据传输过程中的同步与异步问题
同步传输
指发送方和接收方的时钟信号保持同 步，适用于高速数据传输。
异步传输
指发送方和接收方的时钟信号不需同 步，适用于低速数据传输。
06
操作系统基础知识
操作系统的功能与分类
要点一
功能
操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机硬件 和软件资源，提供用户与计算机交互的界面。
硬盘的分类与工作原理
分类
硬盘可以分为机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
工作原理
硬盘的主要功能是永久存储数据。HDD采用磁记录技术，将数据以磁道的形式存 储在旋转的盘片上；SSD则采用闪存技术，通过电子方式存储数据。HDD的读取 速度较慢，但价格较低；SSD的读取速度较快，但价格较高。
【基础知识】CPU指令执行的五个阶段，cpu就是用来执行指令的
【基础知识】CPU指令执⾏的五个阶段，cpu就是⽤来执⾏指令的IF(Instruction fetch) 取指：从 Instruction-Memory 中读取指令，并在下⼀个时钟上升沿到来时把指令送到 ID 级的指令缓冲器 id_ir 中。
该级控制信号决定下⼀个指令指针的 pc 信号(即 Instruction-Memory 的指令地址 i_addr)ID(Instruction decode)指令译码：对 IF 级的指令进⾏译码，根据指令操作码获取操作数read reg_1、read reg_2 或者要直接储存的数据内容 smdr，并在下⼀个时钟上升沿到来前把指令 id_ir(前 8 位，操作码+operand1)送到 EX 级的指令缓冲器 ex_ir 中EX(Execute)执⾏：该级进⾏算术运算(加、减)、简单传输(JUMP 操作)、逻辑运算(与、或、异或) 或移位操作(逻辑左移、逻辑右移、算术左移、算术右移)。
算术逻辑单元 ALU 根据指令对两个操作数 reg_A、 reg_B 进⾏操作，将获得的结果 ALUo 送到下⼀级的 reg_C，在此过程中，控制标志信号 cf、nf、zf 并将其传到相应的缓冲寄存器 ;或者产⽣存储数据的使能信号 d_we，同时将要直接储存的数据内容 smdr 传到MEM 级的 smdr1。
在下⼀个时钟上升沿到来前把指令 ex_ir 送到 MEM 级的指令缓冲器 mem_ir 中。
总的来说就是拿到译码后的数据在ALU 中进⾏计算，并将计算的结果放在MEM中的缓冲区中。
MEM(Memory Access)：数据存储器访问: 根据指令处理 reg_C 获取需要的内容存储到缓冲器 reg_C1，并在下⼀个时钟上升沿到来前把指令 mem_ir 送到 WB 级的指令缓冲器 wb_ir 中。
只有在执⾏ LOAD、STORE 指令时才对存储器进⾏读、写操作，对于此之外的其他指令，MEM 级只起到⼀个周期的作⽤。
计算机原理 第六章 中央处理器 课堂笔记及练习题
计算机原理第六章中央处理器课堂笔记及练习题主题：第六章中央处理器学习时间： 2016年11月7日--11月13日内容：我们这周主要学习第六章中央处理器其中包括CPU的功能和组成、指令周期、时序产生器和控制方式、微程序控制器等内容。
希望通过这些内容的学习能使同学们进一步掌握计算机的中央处理器的相关知识。
一、学习要求1．了解CPU的功能和组成；2．掌握指令周期、时序产生器和控制方式的相关知识；3. 掌握微程序控制器的相关知识。
二、主要内容(一) CPU的功能和组成1．CPU的功能CPU（central processing unit）是电脑中的核心配件，是一台计算机的运算核心和控制核心。
电脑中所有操作都由CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件。
CPU的结构：中央处理器CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件。
中央处理器从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。
它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作，从而完成一条指令的执行。
指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。
指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字和特征码。
CPU的五大功能：---输入单元：用来读取给电脑处理的资料或程式---处理单元：用来执行计算；比较和判断等运算功能---输出单元：将电脑的运算结果和处理好的资料输出---记忆单元：用来储存资料或程式的地方---控制单元：按作业程序指挥上述单元的运作及交换资料通道的传送2．CPU的组成CPU内部结构大概可以分为控制单元、运算单元、存储单元和时钟等几个主要部分。
运算器是计算机对数据进行加工处理的中心，它主要由算术逻辑部件（ALU：Arithmetic and Logic Unit）、寄存器组和状态寄存器组成。
ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。
第5章 中央处理器(CPU)
2014-11-23
计算机组成与结构 第5章 中央处理器(CPU)
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5.3 指令执行过程 • 5.3.1 时序系统 • 机器周期：按照指令执行的各项不同任务，把一个 指令周期划分成若干个时间段，每个时间段完成一 个基本操作，这样的时间段称为机器周期。 • 在采用混合控制方式的现代计算机中，一般的做法 是定义几种基本的机器周期。例如，取指令机器周 期，读存储器机器周期，写存储器机器周期和执行 运算机器周期等。一个指令周期可包括不同数量、 不同类型的几个机器周期，但是任何一条指令的第 一个机器周期必须是取指令机器周期。 • 机器周期又称作CPU周期，通常它是主存储器的一 个访问周期
计算机组成与结构 第5章 中央处理器(CPU)
2
• 中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU） 是计算机的核心部件，主要负责程序的执行和各种 数据处理。 • 本章从分析CPU的功能结构入手，详细介绍CPU的 构成和指令的执行过程，对两种常见的控制器工作 原理进行了阐述。此外还介绍了为提高指令执行速 度而采取的流水线技术 。
2014-11-23
计算机组成与结构 第5章 中央处理器(CPU)
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• 本章主要论述CPU组成原理 • 通过本章学习:
掌握在计算机运行过程中各个硬件部件的作用； 了解CPU中各个部件的操作过程及其实现方法原理。
• 本章将重点讲述：
程序是如何执行的； 计算机怎样实现各条指令的功能； 如何保证逐条指令的连续执行过程。
2014-1理器(CPU)
8
5.1 CPU的功能和基本结构
5.1.2 CPU的基本结构
• 根据CPU的功能，要取指令，必须有存储器用于存放当前 指令地址；要分析指令，必须有存放当前指令的寄存器和 对指令进行译码的部件；要执行指令，必须有一个能发出 各种操作命令序列的控制部件CU；要完成算术运算和逻辑 运算，必须有存放操作数的寄存器和实现运算功能的部件 ALU；为了处理异常情况和特殊请求，还必须有中断系统。 • 因此，CPU一般可由寄存器、控制部件、ALU和中断系统 四部分组成，如图5-1所示 • 有关ALU的内容第2章已经介绍了，控制部件CU是CPU最 复杂的部分，后面将重点介绍
第五章中央处理器习题参考答案1.请在括号内填入适当答案。在CPU中
第五章中央处理器习题参考答案1．请在括号内填入适当答案。
在CPU中：(1) 保存当前正在执行的指令的寄存器是（指令寄存器IR）；(2) 保存当前正在执行的指令地址的寄存器是(程序计数器AR)；(3) 算术逻辑运算结果通常放在（通用寄存器）和（数据缓冲寄存器DR）。
2．参见下图（课本P166图5.15）的数据通路。
画出存数指令"STA R1 ，(R2)"的指令周期流程图，其含义是将寄存器R1的内容传送至（R2）为地址的主存单元中。
标出各微操作信号序列。
解："STA R1 ，(R2)"指令是一条存数指令，其指令周期流程图如下图所示：3．参见课本P166图5.15的数据通路，画出取数指令"LDA（R3），RO"的指令周期流程图，其含义是将(R3)为地址的主存单元的内容取至寄存器R0中，标出各微操作控制信号序列。
5．如果在一个CPU周期中要产生3个脉冲 T1 = 200ns ,T2 = 400ns ,T3 = 200ns,试画时序产生器逻辑图。
解：节拍脉冲T1 ，T2 ，T3 的宽度实际等于时钟脉冲的周期或是它的倍数，此时T1 = T3 =200ns ，T2 = 400 ns ，所以主脉冲源的频率应为 f = 1 / T1 =5MHZ 。
为了消除节拍脉冲上的毛刺，环型脉冲发生器可采用移位寄存器形式。
下图画出了题目要求的逻辑电路图和时序信号关系。
根据关系，节拍脉冲T1 ，T2 ，T3 的逻辑表达式如下：T1 = C1·， T2 = ， T3 =6．假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。
已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量。
解：微指令条数为：（4-1）×80+1=241条取控存容量为：241×32/8=964B7. 某ALU器件使用模式控制码M，S3，S2，S1，C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。
第2章中央处理器与指令系统PPT课件
Di
• 在各寄存器与ALU之间根据指令执行过程中的操作和数据流向来 安排功能部件并建立相应的数据传输通路。
• 每条数据传输通路都是专用的，不共享使用。
• 在数据传输和操作中可以做到互不相关，控制比较简单，各寄存
器之间的数据传输可以并行进行，从而达到较高的性能。
5
时间概念
• 指令周期 – 是从一条指令的启动到下一条指令的启动的 时间间隔。
instruction fetch
• PC = PC + 4
4
PCWrite PC
指令 存储器
[PC+4]31-28 x4 I25-0 PC+4
控制器
IRWrite IR
I25-21 I20-16
I15-11
RegDst
I15-0
Rx
数据
A Dx
Ry 寄存
器
Rz
B
Dy
Dz
RegWrite 符号扩展
Target
R1 R2 R3
Add 数据 Do
存储器
MemtoReg
Di
图5-2 专用通路结构CPU 例子
10
一、运算指令的执行过程
采用单总线结构： – 如ADD R3, R1, R2
(1) PC→MAR (2) PC+1→PC
控制 信号
地址总线
存储 器 数据总线
指 令 译 码 /控 制 器
IR
PPCC
MMAARR M DR
• 数据通路：寄存器与ALU之间传递信息的线路。通常有2种建立方法：
– 用数据总线（单总线，双总线，多总线） – 用专用通路（如MIPS）
3
数据总线结构
第1章全部习题参考答案
第3章课后习题解析及答案3.1第1章习题解答1．简要解释下列名词术语【答】数字计算机：一种能存储程序，能自动连续地对各种数字化信息进行处理的快速工具。
硬件：是指组成计算机系统的设备实体，如CPU、存储器、I/O设备等。
软件：泛指各类程序、文档等。
CPU：即中央处理器，是由运算器和控制器组成的计算机硬件系统的核心部件。
主存储器：位于主机内部，用来存放CPU需要使用的程序和数据的部件。
外存储器：位于主机外部，用来存放大量的需要联机保存、但CPU暂不使用的程序和数据的部件。
外部设备：位于主机之外，和主机进行信息交换的输入设备或输出设备。
信息的数字化表示：注意，信息的数字化表示包含了两层含义，即：用数字代码表示各种信息，用数字信号（电平、脉冲）表示数字代码。
存储程序工作方式：事先编制程序，事先存储程序，自动、连续地执行程序。
模拟信号：在时间上连续变化的电信号，用信号的某些参数模拟信息。
数字信号：在时间上或空间上断续变化的电信号，依靠彼此离散的多位信号的组合表示信息。
脉冲信号：在时间上离散的电信号，利用脉冲的有无表示不同的状态。
电平信号：在空间上离散的电信号，利用信号电平的高低表示不同的状态。
系统软件：为保证计算机系统能够良好运行而设置的基础软件。
应用软件：用户在各自的应用领域中为解决各类问题而编写的软件。
操作系统：负责管理和控制计算机系统的硬件资源、软件资源与运行的核心软件，为用户提供软件的开发环境和运行环境。
语言处理程序：将源程序转换为目标程序的一类系统软件，包括各种解释程序、编译程序、汇编程序。
物理机：是指能够执行机器语言程序的实际的计算机。
虚拟机：是指通过配置软件，扩充机器功能后所形成的计算机。
总线：一组能为多个部件分时共享的公共的信息传送线路。
数据通路宽度：是指数据总线一次能并行传送的数据位数。
数据传输率：是指数据总线每秒钟传送的数据量。
接口：泛指两个部件的交接部分。
通道：能够执行专用的通道指令，用来管理I/O操作的控制部件。
中央处理器操作指令
工作过程
提取 解码
执行 写回
第一阶段，提取，从存储器或高速缓冲存储器中检索指令（为数值或一系列数值）。由程序计数器 （Program Counter）指定存储器的位置。(程序计数器保存供识别程序位置的数值。换言之，程序计数器记录了 CPU在程序里的踪迹。)
CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片段。根据CPU的指令 集架构（ISA）定义将数值解译为指令。一部分的指令数值为运算码（Opcode），其指示要进行哪些运算。其它 的数值通常供给指令必要的信息，诸如一个加法（Addition）运算的运算目标。
基本概念
中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心 （Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器 （Cache）及实现它们之间的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（Memory）和输入/输 出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。
中央处理器操作指令
计算机操作系统
01 基本概念
03 工作过程
目录
02 处理指令流程 04 CPU指令集
中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心 （Core）和控制核心（ Control Unit）。CPU操作指令的处理流程大概分为：取指、译码、执行、访存、写回 等几步。
取指 (fetch)
02
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MOV #N ，R0 ；N → R0
PC→AR M→DR DR→IR PC+1→PC PC→AR M→DR DR→R0 PC+1→PC
PCO，G，ARi R DRO，G，IRi +1 PCO，G，ARi R DRO，G，R0i +1
假设：指令中的形式地址 单独占一个字节
… n n+1 MOV ＃N，R0 ＃N …
ADD R2，R0 (R2)+(R0)R0
P0 (R1)R0
PC→AR M→DR DR→IR PC+1→PC R1→R0
PCO，G，ARi R DRO，G，IRi +1 R1O，G，R0i
ADD (R1)，R0 ((R1))+(R0)R0
PC→AR M→DR DR→IR PC+1→PC R1→AR M→DR DR→X R0→Y X+Y→R0 PCO，G，ARi R DRO，G，IRi +1 R1O，G，ARi R DRO，G，Xi R0O，G，Yi +,ALUo, G,R0i
MOV R1，@#N ；(R1) → N
PC→AR M→DR DR→IR PC+1→PC PC→AR M→DR DR→AR PC+1→PC R1→DR DR→M
PCO，G，ARi R DRO，G，IRi +1 PCO，G，ARi R DRO，G，ARi +1 R1O，G，ARi W
n
… MOV R1,@#N
n+1
＃N
…
MOV X(R1)，R0 ； (X＋(R1)) →R0
PC→AR M→DR DR→IR PC＋1→PC PC→AR M→DR DR→X PC＋1→PC R1→Y X＋Y→AR M→DR DR→R0 PC0，G，ARi R DR0，G，IRi ＋1 PC0，G，ARi R DR0，G，Xi ＋1 R10，G，Yi ＋,ALU0,G,ARi R DR0，G，R0i
… n n+1 MOV X(R1),R0 X …
…
作业
n n+1
MOV ＃N，R0 ＃N …
双总线结构机器的数据通路如下图，画出下列指令的指令运行过程，用 方框图表示,并写出对应微操作序列 (1)ADD R1,R0; (R1)+(R0)R0，寄存器R0和R1的内容相加，结果存入R0 中 (2) MOV R1,R0; (R1)R0，寄存器R1的内容送R0 (3) ADD (R1),R0; ((R1))+(R0)R0；寄存器间接寻址，寄存器R1中的地 址所指示的存储单元中的数据与R0中的数相加 ，结果放在R0中 (4) MOV #N ,R0 ; N → R0， 源操作数为立即寻址，形式地址中的立即数 N送寄存器R0中。设此时的形式地址占一个字节，需要 再次读存 储器读出N。 (5) MOV R1,@#N; (R1) → N，目的操作数为直接寻址，R1中的值送地址 为N的存储单元。设此时的形式地址占一个字节，需要 再次读存储 器读出N。 (6) MOV X(R1),R0 ; (X＋(R1)) →R0 ，源操作数为变址寻址。