包邮计算机组成原理及汇编语言-(第二版)

nbsp;   言
    本书的**版(2003年)经过几年的使用，已得到了读者的一致认可。编者一直在教学一线
从事该课程的教学实践，对课程的教学改革进行了深入研究，同时也收集了同行的许多宝贵建议
和意见。随着计算机技术的迅速发展，**版的内容已显陈旧。本书是第二版。作为“十一五”
国家级规划教材，本书共9章，建议安排90学时(包括上机)。本书较**版作了相应的改动，
吸收了近年来“计算机组成原理及汇编语言”课程体系中的新知识，保留了原书的特色和风格，
删除了一些陈旧内容，增加了部分新内容，以适应时代发展的要求。
    编写教材*难处理的就是取舍，当前计算机技术迅速发展，新技术、新方法、新标准不断涌
现，如何将*为重要的知识传授给学生呢?经验说明，*重要的就是把计算机的基本原理讲清
楚，删除陈旧的或与其他课程重叠的内容，同时增加新的内容，并注重理论与实际相结合，充分反
映新理论、新技术、新标准，但是新的尚未成熟的内容则不宜写入教材。
    多年来，编者通过教学工作的体验，在本书中以16位的指令系统和寻址方式为基础，增加了
32位的指令系统和寻址方式、中央处理器CPU的新技术、微型CPU的发展和封装。在汇编程序
设计部分，压缩了16位汇编的内容，增加了32位宏汇编的内容，相应的接口技术也补充了32位
寻址方式。编者感到将这些内容加以系统地介绍十分必要。因此，它们也就成为修订时增加内
容的重要部分，也是本书修订的特色。
    第二版的修订主要由张思发、吴让仲及樊俊青完成。陈刚教授对全书进行了细致的审稿，刘
斌舫副教授也对本书提出了许多建设性意见，同时得到了许多读者和同仁的关注和建议，特在此
表示感谢!
    由于编者的水平有限，书中难免还存在一些缺点和错误，恳请广大读者批评指正。

中央处理器CPU
本章学习目标

    中央处理器(CPU)相当于人的大脑，是计算机工作的指挥和控制中心。  本

章将详细介绍CPU的基本功能、控制方式、工作过程，时序产生器的组成，微程

序控制器和硬布线控制器以及传统的cPu结构。  还将介绍流水CPu、RIsc

CPU、多媒体CPU等先进的计算机科学技术成果。

CPU的功能和结构
    目前电子计算机的结构遵循“冯·诺依曼结构”的结构准则。该体系结构提出存储程序的
概念。当使用计算机解决某个问题时，编写的程序以二进制的指令序列形式存储在内存储器中。
这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方找到用来操作的数据。一旦把程序装
入内存储器，就可以由计算机自动完成取出指令和执行指令的任务。专门用来完成此项工作的
计算机部件称为中央处理器，简称CPu。
    cPu对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下4个方面的基本功能：
    ①指令控制。指令控制也称为程序的顺序控制，控制程序严格按照规定的顺序执行。
    ②操作控制。将取出的由指令产生的一系列控制信号(微指令)分别送往相应的部件，从而
控制这些部件按指令的要求进行工作。
    ③时间控制。有些控制信号在时间上有严格的先后顺序。例如，读取存储器的数据，只有
当地址线信号稳定以后，才能通过数据线将所需的数据读出，否则读出的数据是不正确的数据。
 这样，计算机才能有条不紊地工作。
    ④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。
    以前CPU主要由运算器和控制器两大部分组成，随着集成电路的发展，目前CPU芯片上集
成了一些其他逻辑功能部件来扩充CPU的功能，例如浮点运算器、Cache和MMX等。下面重点
介绍运算器和控制器。CPU主要组成部分逻辑结构图如图5．1．1所示。
    1．控制器的组成和功能
    控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。它是计算
机的指挥系统，完成计算机的指挥工作。尽管不同计算机的控制器在结构上有很大的区别，但就
其基本功能而言，一般都具有如下功能：
    ·取指令。从内存中取出当前指令，并生成下一条指令在内存中的地址。
    ·分析指令。指令取出后，控制器还必须具有两种分析的功能：一是对指令进行译码或测
试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作，例如，一次内存读／写操作、一个算术逻辑
运算操作或一个输入／输出操作；二是分析参与这次操作的各操作数所在的地址，即操作数的有
效地址。
    ·执行指令。控制器还必须具备执行指令的功能，指挥并控制CPU、内存和输Yk／输出设备
之间数据流动的方向，完成指令的各种功能。
    ·发出各种微操作命令。在指令执行过程中，要求控制器按照操作性质的要求，发出各种
 相应的微操作命令，使相应的部件完成各种功能。
    ·改变指令的执行顺序。在编程过程中，分支结构、循环结构等非顺序结构的引用可以大
大提高编程的工作效率。控制器的这种功能可以根据指令执行后的结果，确定下一步是继续按
原程序的顺序执行，还是改变原来的执行顺序，而转去执行其他的指令。
    ·控制程序、数据的输入和结果输出。这实际也是一个人机对话的设计，通过编写程序，在
适当的时候输入数据和输出程序的结果。
    ·对异常情况和某些请求的处理。当计算机在执行程序的过程中，发生了一些异常的情
况，例如除法出错、溢出中断、键盘中断等。此时，要求计算机对这些情况能够进行处理。
    下面详细介绍控制器中各组成部件的功能与结构。
    (1)指令寄存器(IR)
    当CPU执行一条指令时，先把它从内存储器读取到缓冲寄存器中，再送到指令寄存器，然后
送到指令译码器部件，产生各种微操作指令，控制其他组成部件工作，完成所需的功能。
    (2)程序计数器(PC)
    为了保证程序能够周而复始、有条不紊地执行下去，CPU必须具有某些功能，以保证在执行
完当前指令后能知道下一条指令的地址。而程序计数器正起到这种作用，所以通常又称为指令
计数器。程序计数器工作时分为两种情况：一是顺序执行；二是转移执行。在程序开始执行前，
将程序的起始地址送入程序计数器，这在程序加载到内存储器时已确定，因此程序计数器的内容
即是内存储器中**条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改程序计数器的内容，以便
使其保存的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修
改的过程通常只是简单地对程序计数器加1。当遇到转移指令如JMP指令时，后继指令的地址
(即程序计数器的内容)不能像通常一样按顺序来取得，而是根据当前指令的地址与一个向前或
向后转移的位移量相加的和得到，或者根据转移指令给出的直接转移的地址得到。因此程序计
数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。
    (3)地址寄存器(AR)
    地址寄存器用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于在内存储器和CPU之间存
在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存储器的读／写操作
完成为止。地址线和数据线大多数是分时复用的，因此也要地址存储器来暂时保存有关的地址
数据。
    可以明显地看到，当CPU和内存储器进行信息交换，即CPU向内存储器存取数据时，或者
CPU从内存储器中读出指令时，都要使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。同样，如果把外围设
备的设备地址作为像内存储器的地址单元那样来看待，那么，当CPU和外围设备交换信息时，可
以同样使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。
    地址寄存器的结构和数据缓冲寄存器、指令寄存器的结构一样，通常使用单纯的寄存器结
构。信息的存入一般采用电位一脉冲方式，即电位输入端对应数据信息位，脉冲输入端对应控制
信号，在控制信号作用下，瞬时地将信息打人寄存器。