文档介绍：第6章中央处理部件CPU
计算机的硬件系统
控制器的组成
微程序控制计算机的基本工作原理
微程序设计技术
硬布线控制的计算机
控制器的控制方式
流水线工作原理
CPU举例
计算机的加电及控制过程
习题
计算机的硬件系统
当前世界上大多数计算机的中央处理机由下述两种方法实现:
(1) 采用半导体公司(工厂)生产的微处理器构成通用的或专用的计算机系统以及工作站等。当前微处理器芯片已从16位,32位发展到64位结构。
(2) 一些计算机公司采用自行设计制造的芯片来构成大、中、小型计算机的CPU。例如,IBM公司和DEC公司就是这样做的。随着用户对开放系统兴趣的增长,这两家公司也逐步走向开放。例如IBM公司也选用Intel80×86构成微机。
随着VLSI的出现和发展,芯片集成度显著提高,价格不断下降,从而提高了计算机的性能价格比,使得过去在大、中型计算机中才采用的硬件技术(例如,流水线技术、并行处理技术、高速缓冲存储器(Cache)、虚拟存储器等),下移到小型和微型计算机系统中来,因而使大、中、小、微型计算机的分界面不断发生变化,界限随时代而趋向消失。
下面我们将以Intel 80386组成的微机系统为例,来说明计算机系统的组成。
80386微处理器等器件组成的微机系统,Intel 80386是32位微处理器。
图中各个部件的主要功能如下:
(1) 80386微处理器是系统中主要的处理、控制部件,从存储器中取出的指令主要在80386中处理。
(2) 80384时钟发生器。机器加电时,首先由它产生整机复位信号(reset),使计算机各个部件处于初始状态(reset作用时封锁计算机一切其他动作),这样可防止加电时,由于寄存器处于“不定”状态而引起计算机的不可预估的操作。
Intel 80386微机系统框图
(3) 80387协处理器扩充了80386指令系统,主要完成浮点运算和高精度整数运算。80386自动将取得的协处理器指令传送给80387。80387的数据线为32位。
(4) 总线控制逻辑。80386通过总线与存储器、I/O设备交换信息,相互连接情况在80386结构中讲述。
(5) 存储器与输入输出系统。存放数据、指令以及完成输入输出操作的系统。
(6) DMA控制器及中断控制器。在CPU与I/O设备之间传送信息时,由于CPU的速度比I/O设备快得多,为了不浪费宝贵的CPU时间,因此CPU采取分时并行工作的办法。例如在磁盘存储器与主存储器之间传送数据期间,CPU照常执行程序,当磁盘存储器准备好数据时(假设读盘操作),向CPU发出一个称之为“DMA”的请求信息,此时CPU让出总线,让出主存储器的一个存取周期时间,完成磁盘上的数据写入存储器的操作,然后CPU继续执行程序。当磁盘存储器再次准备好数据时,重复上述过程。
另外还有一些速度比磁盘存储器慢得多的I/O设备。当它们准备好数据时(假设为输入),向CPU发出一个称之为“中断请求”信号,当CPU接受请求时,中止当前正在运行的程序,转到“中断处理程序”,对数据进行处理,并存入存储器,然后再从“中断处理程序”返回到原程序的中止点,继续执行原程序。这种工作方式称为程序中断方式。
为了完成上述工作,需要有相应的硬件支持,这就是Intel 82285 DMA 控制器及Intel 8259A中断控制器。
DMA为“直接存储器存取”的缩写,是控制I/O设备与存储器直接传送信息(数据)的逻辑电路。在一般情况下,数据是成组传送的,且不影响当前程序的执行。
中断控制器主要用于传送一个数据或机器发生故障时进行处理。
(7) “准备好”(ready)逻辑。当80386与存储器交换数据(读或写)时,由于双方速度不一致(存储器较慢),有时80386需要等待。ready信号是由存储器发向80386的,表示在此之前由80386发向存储器的读/写命令已完成,此时80386不必等待(若已处于等待状态则结束等待),可继续执行下面的操作。