2020年chap4计算机组成原理.ppt

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【学习指南】
主要内容：
处理器=中央处理器（Central Processing Unit）=CPU
处理器是计算机的核心部件。
处理器的工作原理和设计方法。
处理器由运算器和控制器组成。
掌握控制器的工作原理是本章的难点。
从结构和设计方法上看控制器可以分为硬连线控制器和微程序控制器两大类。
结合EDA工具学习CPU的设计。
chap4计算机组成原理
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什么是CPU？
所谓中央处理器是控制计算机来自动完成取出指令和执行指令任务的部件。它是计算机的核心部件，通常简称为CPU。
CPU的基本组成:
控制器
运算器
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处理器的工作过程简介
计算机的数据和程序存储于硬盘。
程序是指令的有序集合。
程序在执行之前需事先将其调入内存。
CPU从内存里取出指令和数据，并根据指令的要求对数据进行加工（计算）。
指令的执行过程：分为取指令和执行指令2个步骤。
处理器从内存中取出一条指令，执行该指令，
然后再取下一条指令，如此循环反复，执行整个程序。
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处理器的工作过程简介
指令执行过程的详细示意图：（假定程序和数据已经放在内存中）：
根据程序计数器PC的内容从内存中取出一条指令，放置于指令寄存器IR中；
分析IR中的操作码，决定应执行的操作；
根据IR的地址码取出参加运算的操作数；
对操作数进行运算；
根据IR的地址码把运算结果存入指定地址；
本条指令执行完毕，修改PC内容决定下一条指令所在的地址。
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绿色部分的工作在CPU中完成
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处理器的工作过程简介
从处理器的角度考虑，为什么必须要区分数据和指令？
因为二者的信息性质不同，需要处理器用不同的部件作完全不同的处理。数据需要运算器作算术逻辑运算，而指令需要控制器对其进行理解并生成相应控制命令加以执行。
如何区分内存中某个单元的内容是数据还是指令呢？在形式上二者都是二进制位串。
从时间上区分，处理器在取指令周期从内存读出来的就是指令，而在执行指令周期从内存读写的就是数据。
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处理器的工作过程简介
处理器支持的全部指令集构成该处理器的指令系统。
指令系统的指令格式、指令种类和指令数量反映了处理器功能的强弱。
理论上看，处理器功能越强，完成同样任务的程序就会越短，求解问题的速度就越快。
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处理器的工作过程简介
指令系统越复杂，为软件提供的支持更多。
但是，实验表明，程序具有自身的特点。
程序局部性原理：只有80%的指令会经常用到，而另外20%几乎是摆设。
精心挑选最常使用的指令组成指令集而加以实现则成为精简指令系统RISC，与之对立的指令集设计风格为复杂指令系统CISC。
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处理器的工作过程简介
计算机的运算速度可以用每秒钟可以执行多少条指令即MIPS表示。提高计算机速度有以下途径：
提高集成电路工艺水平，缩短延迟时间，提高时钟频率。
改进设计（包括采用流水线和并行处理技术），提高单个处理器的运算速度。
使用多个处理器并行工作，提高整个计算机的运算速度如我国的高性能计算机天河一号。
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