微型计算机原理第3章上.ppt
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1、2023/11/13,1,第3章 运算器与控制器,3.1 控制器概述,3.3 微程序控制器概述,3.0 运算器概述,2023/11/13,2,掌握:加减运算的实现控制器的功能和基本组成微程序控制器的概念、原理,2023/11/13,3,第3章 运算器与控制器,运算器部件:,是计算机加工处理数据的功能部件。,对数据的加工处理包括:,与、或、非、异或等。,ALU是运算器中的核心部件。也是运算器内部传送数据的重要通路。,运算器的核心功能:,实现算术运算和逻辑运算,算术逻辑单元ALU(Arithmetic-Logical Unit):,加、减、乘、除等;,数值数据的算术运算:,逻辑数据的逻辑操作:,2
2、023/11/13,4,第3章 运算器与控制器,运算器还暂存参加运算的数据和中间结果,选择参加运算的数据,所以运算器内包含一定数目的通用寄存器和多路选择器、译码电路等。,运算器,定点运算器,浮点运算器,定点运算器用硬件直接实现,是必备的运算器。,浮点运算器又称为数学协处理器,主要用硬件完成,是可选件。,现在的高档微机已经把定点运算器和浮点运算器集成在一个芯片中。,2023/11/13,5,第3章 运算器与控制器,控制器,是整个计算机系统的指挥中心,协调并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。,微处理器,微处理器将运算器与控制器集成在一个芯片上,通常称为中央处理单元(CPUCentral Pr
3、ocessing Unit)。,控制器,组合逻辑控制器(又称硬布线逻辑控制器),微程序控制器,2023/11/13,6,第3章 运算器与控制器,3.1 运算器概述,运算器主要由算术逻辑运算单元ALU、锁存器、寄存器、内部总线和控制电路等构成。其核心部件是ALU。下面介绍运算器的基本结构和组成。,3.1.1 运算器的基本结构,运算器三种结构形式,单总线结构,双总线结构,三总线结构,2023/11/13,7,第3章 运算器与控制器,1单总线结构,单总线结构的运算器如所示,2023/11/13,8,第3章 运算器与控制器,在单总线结构的运算器中,所有部件都挂在同一总线上,各部件之间的数据传送都是通过
4、同一总线进行。,由于同一时刻只能有一个操作数放在总线上,各部件对总线是分时使用的。,进行一次运算需三步完成,第一步通过总线把第一个操作数送锁存器A;,第二步将第二个操作数送入锁存器B;,第三步将运算结果通过总线送入目的寄存器中。,单总线结构的运算器结构简单,但速度较慢。,2023/11/13,9,第3章 运算器与控制器,2双总线结构,双总线结构的运算器如图所示,2023/11/13,10,第3章 运算器与控制器,在双总线结构的运算器中,用两组内部数据总线连接运算器的所有部件。,这种结构中,两个操作数可同时加到ALU的输入端,且可立刻得到运算结果。,ALU的输出不能直接连到总线上,因为当形成操作
5、结果时,两条总线都被输入数据占据着,所以必须在ALU输出端设置锁存器。,进行一次运算需两步完成,第一步把两个操作数分别通过总线1、总线2送ALU的输入端,并形成运算结果送锁存器。,第二步把锁存器的运算结果通过任一总线送入目的寄存器中。,双总线结构的运算器提高了运算速度。,2023/11/13,11,第3章 运算器与控制器,3三总线结构,三总线结构的运算器如图所示,2023/11/13,12,第3章 运算器与控制器,在三单总线结构的运算器中,用三条总线连接运算器的所有部件。,这种结构中,ALU的两个输入端,分别由总线1、总线2供给数据,而ALU的输出与总线3相连。,进行一次运算只需一步就可完成,
6、把两个操作数分别通过总线1、总线2送ALU的输入端,并形成运算结果直接通过总线3送入目的寄存器中。,图中设置了总线旁路器,如果有的数据要在总线间直接传送,可通过总线旁路器将总线2的数据直接传给总线3。,三总线结构的运算器运算速度很快,但内部线路复杂。,2023/11/13,13,第3章 运算器与控制器,3.1.2 运算器的组成,以一个模型机的运算器为例,说明运算器的组成。,该运算器由如下几部分构成:,1算术/逻辑运算单元ALU,由4片SN74181和SN74182构成。,SN74181是4位并行加法器,SN74182是并行进位部件。,可构成16位的ALU。,2023/11/13,14,第3章
7、运算器与控制器,2锁存器,锁存器A、B用来暂存来自通用寄存器、存储器或外部设备的数据。给ALU提供参加运算的数据。,一旦数据进入锁存器,不管外部数据怎样变化,都不能改变锁存器的内容。,ALU将依据锁存器A、B的数据进行处理。,3通用寄存器组,该运算器设置了8个通用寄存器R0R7。,通用寄存器可供程序员访问,用来作为累加器、变址寄存器、操作数寄存器等来使用。,2023/11/13,15,第3章 运算器与控制器,源寄存器用来存放源操作数。,暂存寄存器用来暂存中间结果。,4移位器,移位器用来将ALU的数据进行左移、右移、直传、半字交换等操作。供不同运算要求使用。,状态寄存器用来存放在运算过程中得到的
8、状态标志(如零标志、进位标志、符号标志等),以便供程序判断使用。,5状态寄存器,2023/11/13,16,第3章 运算器与控制器,模型机运算器组成框图,2023/11/13,17,第3章 运算器与控制器,3.2 控制器的功能和基本组成 3.2.1 控制器的功能,控制器的作用是控制程序的执行,它应具有下列功能。,1取指令,根据程序入口地址,从存储器中取出一条指令,并指出下条指令的地址。,取出的指令送到指令寄存器,以便分析运行该指令。,2分析指令,分析指令又叫解释指令或指令译码。,2023/11/13,18,第3章 运算器与控制器,3执行指令,根据分析指令产生的控制命令和操作数地址,形成相应的操
9、作控制信号序列,通过运算器、存储器、输入/输出设备的执行,实现每条指令的功能。,计算机不断重复上述三种操作:取指、分析、执行;再取指、再分析、再执行,如此循环,直到遇到停机指令或外来干预为止。,是对当前取得的指令进行分析,指出它要求完成什么操作,并产生相应的操作控制命令。如果参与操作的数据在存储器中,还要形成操作数地址。,2023/11/13,19,第3章 运算器与控制器,5对异常情况和某些请求的处理,当机器出现某些异常情况时,如溢出、校验错等,或某些外来请求,如中断、DMA等,要进行相应的处理。,4控制程序和数据的输入与结果的输出,根据程序的安排并通过人的干预,在适当的时候向输入/输出设备发
10、出一些相应的命令来完成输入/输出功能,这实际上也是通过执行程序来完成的。,2023/11/13,20,第3章 运算器与控制器,3.2.2 控制器的组成,2023/11/13,21,第3章 运算器与控制器,1程序计数器PC(Program Counter),程序计数器又称为指令计数器IP(Instruction Pointer),是用来存放下条指令地址的。,当取出指令后,应确定下条指令的地址,这样才能保证程序的连续执行。,在程序开始执行时,必须将程序的入口地址(第一条指令地址)送入PC。,程序运行中,CPU自动修改PC的值。PC一直指向下次要取的指令。,2023/11/13,22,第3章 运算器
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