1.2微型计算机的工作原理和组成

第二节微型计算机的工作原理图1-2冯.诺伊曼1945年，约翰·冯·诺依曼提出了存储程序的计算机工作原理，也称为冯·诺依曼原理，定义计算机的各个部件并描述其功能。依据这一原理，计算机的功能部件包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备及各部分。其主要特点是：二进制、程序存储、程序控制。•计算机中信息的表示形式•计算机如何实现自动执行•计算机如何控制执行的顺序需解决的问题二进制原理由于二进制在电路上实现方便、可靠，并且运算规则简单，因而计算机中的一切信息都是用二进制表示的，包括程序、数据、地址等。程序存储原理任何一台计算机在设计时都只能完成某些特定的基本操作。计算机能完成的基本操作用命令的形式表示，称为指令（即指挥计算机进行工作的命令），一条指令对应着一种基本的操作。一台计算机全部指令的集合就叫做该计算机的指令系统。指令系统反映了计算机的基本功能，是在设计时就确定了下来。需要计算机完成某项工作时，首先应按照计算机的能完成的基本操作，将所需完成的工作按一定的顺序分解成计算机能实现的基本操作的有序组合，以指令的形式按一定的顺序排列起来，这就是程序（人们为解决问题而编制的一系列按一定顺序排列的指令的集合）。程序编制好后，为了让计算机自动执行，采用了程序存储的原理，即将程序送到计算机的存储器中存储起来，然后让计算机执行程序，通过执行程序，完成规定的操作，从而解决问题。程序控制原理程序通常是依次存放在计算机的存储单元中，计算机在执行的时候，自动的逐条从存储器中取出指令并执行。在计算机中，有一个专门用于存放将要执行的指令所在位置的寄存器（程序计数器），在程序开始时，首先将存放程序的第一条指令的位置存放在程序计数器中，计算机就从这个位置开始取出指令并执行，每取出一个存储单元的指令后，程序计数器中的内容就自动加一，指向下一条指令的地址，当上一个单元的指令处理完成后，计算机就从下一个单元取出指令并执行，除非遇到转移改变程序执行顺序的指令，计算机就重复以上过程直至程序结束，完成所需的工作。从上面的分析可以看出，计算机是通过呆板的依次执行人们编制的程序中的指令来完成所需的工作的。计算机工作的过程就是执行程序的过程。依据上述原理，计算机应该包含哪些功能部件？计算机的功能部件依据冯诺·伊曼原理，计算机应包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备几个部件，这些部件由总线连接起来,如下图所示：运算器控制器输入设备器存储器输出设备总线计算机的硬件组成运算器，也称为算术逻辑单元（ALU:arithmeticlogicalunit）,主要完成数据的算术和逻辑运算以及移位等操作，是计算机中的信息加工部件。运算器控制器是整个系统的指挥部件，它的任务是从内存中取出指令加以分析，然后发出控制信号执行某种操作。控制器根据程序指挥系统工作，以完成程序所规定的任务。在电子计算机中，运算器和控制器是计算机的核心，和起来称为中央处理单元（CentraProcessingUnit:CPU）,在微型计算机中，通常是将运算器和控制器以及数量不等的寄存器做成一个独立部件，用一片VLSI实现，称为微处理器（MP）。控制器微处理器的功能和组成•功能•运算器•控制器•寄存器微处理器的基本功能：微处理器1．进行算术和逻辑运算(ALU)2．具有接收存储器和I/O接口来的数据和发送数据到存储器和I/O接口的能力。(输入输出控制逻辑）3．可以暂存少量数据（寄存器）4．能对指令进行寄存，译码并执行指令所规定的操作5．能提供整个系统所需的定时和控制信号6．可响应I/O设备发出的中断请求微处理器的组成部分：运算器（算术逻辑单元ALU）、控制器、工作寄存器、I/O控制逻辑。算术逻辑单元：运算器的核心部件，进行算术、逻辑、移位等操作。有2个输入端和2个输出端，其中一端接至累加器，接收由累加器送来的一个操作数；另一端通过数据总线接到寄存器阵列，以接收第二个操作数。参加运算的操作数在ALU中进行规定的操作运算，运算结束后，一方面将结果送至累加器，同时将操作结果的特征状态送标志寄存器。累加器是一个特殊的寄存器，由于许多运算的数据都要通过累加器，故累加器在微处理器中占有很重要的位置。算术逻辑单元控制器：完成指令的读入、寄存、译码和执行。包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序部件和控制逻辑部件。控制器程序计数器（PC）：保存下一条要执行的指令的地址，即由它提供一个存贮器地址，按此地址从对应存储器单元取出的内容，就是要执行的指令。一般程序是顺序存放在存储器内的，每取出一个存储单元的指令，PC的内容自动加1，指向下一个存储单元；要实现程序的转移，就要改变程序计数器的内容。指令寄存器：保存从存储器中读入的当前要执行的指令。指令译码器：对指令寄存器中保存的指令进行译码，确定要执行的操作。时序部件：产生微机各部件所需的定时信号，以保证各部件有条不紊的进行信息传送、加工和存储等操作，它由时钟系统及节拍发生器等组成。控制逻辑：依据译码后的信号、节拍发生器产生的节拍信号以及外部的状态信号，发出一系列的控制信号，完成指令的操作。工作寄存器：各种CPU的内部都包含数量不等的寄存器，用于暂存寻址和计算过程的信息。由于CPU内部的寄存器的存取速度远比存储器快，所以，寄存器用于暂时存放程序重复使用的数据、变量和中间结果。工作寄存器分为两类：数据寄存器和地址寄存器。I/O控制逻辑：内部总线分为内部数据总线和地址总线，它们分别通过数据缓冲器和地址缓冲器与芯片外的系统总线相连。缓冲器用来暂时存放信息(数据或地址)，它具有驱动放大能力。计算机的记忆部件，它存储控制计算机操作的命令信息（指令）和被处理加工的信息（数据），也存储加工的中间结果和最终结果。。存储器（memory）存贮器的分类：按和CPU的关系：内存、外存、高速缓冲存储器按存放数据的性质：可分为随机存储器RAM(RadomAccessMemory)和只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)。存储器系统的性能指标：容量、速度和成本存储容量是存储器系统的首要性能指标，因为存储容量越大，则系统能够保存的信息量就越多，相应计算机系统的功能就越强；存储器的存取速度直接决定了整个微机系统的运行速度，因此，存取速度也是存储器系统的重要的性能指标；超高速：小于20ns，中速：在100～200ns之间，低速：在300ns以上。存储器的成本也是存储器系统的重要性能指标。为了在存储器系统中兼顾以上三个方面的指标，目前在计算机系统中通常采用三级存储器结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储器，由这三者构成一个统一的存储系统。1K=210=1024,1M=2201G=230,1T=240位（bit）、字节(Byte)、字（word）微型计算机的存储容量通常都是以字节为单位表示的。接口电路：泛指任何两个系统之间的交接部分。在计算机系统里，接口指微机(或CPU)与外部设备之间的连接通道及有关的控制电路。接口的功能：作用是进行速度匹配、信息匹配和完成某些控制功能。分为通用接口和专用接口。输入/输出(I/O)设备又称外设，通过I/O接口与CPU相连，它是计算机与外部世界联系的桥梁。输入设备及其接口的作用是将程序和数据以及其他形式的信息转换成计算机能够直接识别和接受的电信号表示的二进制代码并送到计算机中；输出设备及其接口的作用是将计算机处理的中间结果和最终结果以人们能够识别的字符，图形、图像、声音等形式输出，供用户分析、判断和永久保存。微机中，常用的输入设备有键盘、鼠标等；输出设备有显示器、打印机、音箱等。输入输出接口和输入输出设备输入输入接口总线：现代的计算机系统广泛采用总线（bus）结构。所谓总线是指计算机各部件之间传送信息的公共通道，微型计算机的各个部件通过总线相互通信。总线按其功能可分为地址总线、数据总线和控制总线。总线微处理器CPUROMRAMI/O接口输出设备输入设备地址总线AB数据总线DB控制总线CB