第3章計算機硬件組成及工作原理

第三章計算機硬件組成及工作原理3.1計算機的硬件組成一臺完整的計算機系統(tǒng)由計算機硬件系統(tǒng)和計算機軟件系統(tǒng)兩部分組成。計算機硬件（Hardware）是組成計算機的所有電子器件和機電裝置的總稱，是構(gòu)成計算機的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是計算機系統(tǒng)的核心。計算機軟件（Software）則是由計算機程序構(gòu)成的無形的東西，需要存儲在有形的硬件（如主存儲器、硬盤等）中，可以實現(xiàn)更高層的邏輯功能。本章主要內(nèi)容是計算機硬件系統(tǒng)的組成及工作原理。3.1計算機的硬件組成計算機一開始是作為一個計算工具出現(xiàn)的。如能脫離人的干預(yù)而自動地完成計算，它必須具備以下幾個基本功能：①要有能進行運算的部件——運算器；②要有能記憶原始數(shù)據(jù)、運算程序及運算結(jié)果的部件——存儲器；③要有能發(fā)出各種控制信息，以便使計算機各部件協(xié)調(diào)工作的部件——控制器；④要有能將原始數(shù)據(jù)及運算程序輸入計算機，并將結(jié)果及其它信息輸出的部件——輸入、輸出設(shè)備。3.1.1計算機的主要部件典型的計算機硬件系統(tǒng)就是由這五大部分構(gòu)成，這種模型最早是由數(shù)學(xué)家馮?諾依曼提出的，故稱為馮?諾依曼結(jié)構(gòu)。

3.1.2計算機的總線結(jié)構(gòu)將五大基本部件，按某種方式連接起來就構(gòu)成了計算機的硬件系統(tǒng)。在五大基本部件之間，有著大量的信息需要交換、傳送。目前許多計算機（主要指小、微型計算機）的各大基本部件之間是用總線（BUS）連接起來的?？偩€是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的互連機構(gòu)，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助于總線連接，計算機在各系統(tǒng)功能部件之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換，并在爭用資源的基礎(chǔ)上進行工作。。

3.1.2計算機的總線結(jié)構(gòu)總線的基本概念

1）為什么要使用總線

如何將計算機的若干功能部件連接起來？全互聯(lián)形式

部件1部件2部件5部件3部件4問題：隨著部件的增加，連線復(fù)雜。如何解決？3.1.2計算機的總線結(jié)構(gòu)總線的基本概念

2）解決方法——采用總線

總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構(gòu)，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳總送的公共通路?？偩€問題：如何確定數(shù)據(jù)的流向？部件1部件2部件3部件4部件5部件13.1.2計算機的總線結(jié)構(gòu)地址總線部件2部件3部件4000110111010數(shù)據(jù)總線101010數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線的基本概念

3）數(shù)據(jù)送到哪里——地址總線作用

通過地址總線確定數(shù)據(jù)的來源和去向。3.1.2計算機的總線結(jié)構(gòu)總線的定義：

總線就是各種信號線的集合，是計算機各部件之間傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路?？偩€通過分時共享的方式，將信息以一個或多個源部件傳送到一個或多個目的,是計算機中傳輸數(shù)據(jù)的公共通道?？偩€的特性：分時和共享是總線的兩個基本特性。共享是指多個部件連接在同一條總線上，各個部件之間都可以通過這條總線來進行信息的交換。分時是指同一時刻，總線上只能傳輸一個部件發(fā)送出來的信息?？偩€的特點：——高速：滿足CPU的外部訪問要求——標準：使得不同的設(shè)備可以和計算機主機系統(tǒng)連接——公共：全部外部設(shè)備共同使用3.1.2計算機的總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線雙向傳送，它的線數(shù)即總線寬度。CPU取指令時——用于傳送指令代碼CPU訪問存儲器時——用于傳送數(shù)據(jù)I/O操作時——用于傳送外部數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷時——用于傳送中斷向量地址總線傳送的是內(nèi)存（或I/O接口）的地址信號，單向傳送。它的線數(shù)與系統(tǒng)采用的CPU的地址線寬度一致，它決定了CPU直接尋址的內(nèi)存容量?？刂瓶偩€傳送的是CPU和其它控制芯片發(fā)出的各種控制信號，如：讀/寫周期W/R、指令/代碼傳送D/C、存儲器或IO口訪問M/IO和系統(tǒng)復(fù)位Reset等?？偩€的分類片內(nèi)總線

在CPU內(nèi)部，寄存器之間和算術(shù)邏輯部件ALU與控制部件之間傳輸數(shù)據(jù)所用的總線稱為片內(nèi)總線(芯片內(nèi)部的總線)。片外總線

是CPU與內(nèi)存RAM、ROM和輸入/輸出設(shè)備接口之間進行通訊的通路。本節(jié)主要介紹片外總線。系統(tǒng)總線、I/O總線、外部總線都是片外總線。系統(tǒng)總線——（也叫前端總線FSB）一般為CPU與存儲器(L2Cache)、芯片組之間的連接總線。是CPU的數(shù)據(jù)、指令等傳輸通道，也是I/O總線的過度總線。I/O總線——主機與外部設(shè)備之間的連接總線。3.1.3典型的微型計算機組成典型的微型計算機組成3.2中央處理器的組成與基本工作原理中央處理器CPU是整個計算機的核心，它包括運算器和控制器。3.2.1中央處理器的功能當用計算機解決某個問題時，我們首先必須為它編寫程序。程序是一個指令序列，這個序列明確告訴計算機應(yīng)該執(zhí)行什么操作，在什么地方找到用來操作的數(shù)據(jù)。一旦把程序裝入內(nèi)存儲器，就可以由計算機來自動完成取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。專門用來完成此項工作的計算機部件稱為中央處理器，通常簡稱CPU。

3.2.1中央處理器的功能CPU如下四方面的基本功能：1) 指令控制程序的順序控制稱為指令控制。由于程序是一個指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，必須嚴格按程序規(guī)定的順序進行。2) 操作控制一條指令的功能往往是由若干個操作信號的組合來實現(xiàn)的，因此，CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行動作。3) 時間控制對各種操作實施時間上的定時稱為時間控制。在計算機中，各種指令的操作信號以及一條指令的整個執(zhí)行過程都受到時間的嚴格定時。4) 數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工就是對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算處理。

2.3.1CPU組成控制器和運算合稱為中央處理單元(CentralProcessingUnit)，簡稱CPU。CPU是使整部計算機能夠運作的最核心、最重要的組件。其作用就是當計算機系統(tǒng)開始運行時，CPU從內(nèi)存中讀取操作它的軟件的指令與數(shù)據(jù)，透過ALU運算出結(jié)果后存回內(nèi)存，同時由主機板，與外界的I/O外圍溝通，達到數(shù)據(jù)處理的目的。3.2.2CPU的基本組成CPU內(nèi)部包括控制單元、運算器、寄存器組等組成。

3.2.2CPU的基本組成運算器稱為ALU(ArithmaticLogicalU—nit)，它由部件及邏輯電路組成，其功能進行算術(shù)和邏輯運算。3.2.2CPU的基本組成控制器發(fā)出各種控制信號，使整個運行過程自動進行。⑴程序計數(shù)器PC，又稱指令計數(shù)器、指令指針（IP）⑵指令寄存器IR，存放從內(nèi)存中取出的待執(zhí)行的指令。⑶指令譯碼器ID，又稱操作碼譯碼器或指令功能分析解釋器。⑷地址形成部件⑸微操作信號發(fā)生器⑹時序部件2.3.1CPU組成3.2.3指令及指令周期1.指令指令系統(tǒng)指的是一個CPU所能夠處理的全部指令的集合，是一個CPU的根本屬性。指令系統(tǒng)決定了一個CPU能夠運行什么樣的程序。不同的CPU、不同的指令集，構(gòu)成了不同的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是計算機硬件和軟件之間的橋梁，是匯編程序設(shè)計的基礎(chǔ)。指令系統(tǒng)包含了許多執(zhí)行各種類型操作的指令，每條指令完成一種特定的操作。計算機系統(tǒng)完成的每項工作，往往需要一系列相應(yīng)的指令。所有采用高級語言編出的程序，都需要翻譯（編譯或解釋）成為機器語言后才能運行，這些機器語言中所包含的就是一條條的指令。3.2.3指令及指令周期2.指令周期

就是執(zhí)行一條指令所需要的時間，即CPU從內(nèi)存取出一條指令并執(zhí)行這條指令的時間總和一般由若干個機器周期組成，是從取指令、分析指令到執(zhí)行完所需的全部時間。指令不同，所需的機器周期數(shù)也不同。3.2.4CPU的工作過程

CPU的工作過程實際上就是指令的執(zhí)行過程，一條指令執(zhí)行的基本過程分為：取指令階段、分析及取數(shù)階段和執(zhí)行階段。⑴

取指令將現(xiàn)行指令從內(nèi)存中取出來并送至指令寄存器中去。具體的操作為：①將程序計數(shù)器PC中的內(nèi)容通過地址總線AB送至內(nèi)存地址寄存器AR。②向內(nèi)存發(fā)讀命令。③從內(nèi)存中取出的指令經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR、數(shù)據(jù)總線DB送到指令寄存器IR中去。④將PC的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好準備。3.2.4CPU的工作過程⑵分析及取數(shù)指令譯碼器ID識別和區(qū)分不同的指令類型及各種獲取操作數(shù)的方法無操作數(shù)指令，即轉(zhuǎn)執(zhí)行階段。帶操作數(shù)指令需要讀取操作數(shù)，⑶執(zhí)行執(zhí)行階段完成指令規(guī)定的各種操作，形成穩(wěn)定的運算結(jié)果，并將其存儲起來。3.2.4CPU的工作過程1．指令執(zhí)行的基本過程演示

為了使大家進一步了解指令執(zhí)行過程，我們以一條8086指令A(yù)DDAL,[0300H]為例。這里我們設(shè)定指令執(zhí)行前:

AL)=00001111B,[CS]=3000H,[IP]=0100H,[DS]=2000H,[20300H]=01010000B3.3指令系統(tǒng)1.指令的格式一條指令一般包括兩個部分：操作碼和地址碼。操作碼其實就是指令序列號，用來告訴CPU需要執(zhí)行的是那一條指令。地址碼則復(fù)雜一些，主要包括源操作數(shù)地址、目的地址和下一條指令的地址。在某些指令中，地址碼可以部分或全部省略，比如一條空指令就只有操作碼而沒有地址碼。101000010000000000100000操作碼地址碼3.3指令系統(tǒng)

2.指令的分類一臺計算機的指令系統(tǒng)可以有上百條指令，這些指令按其功能可以分成幾種類型：數(shù)據(jù)傳送類指令算術(shù)邏輯運算類指令3)程序控制類指令4)輸入/輸出類指令3.3指令系統(tǒng)3.尋址方式尋址方式是指令系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容，它對于豐富程序設(shè)計手段、方便程序編制、提高程序的質(zhì)量、減少訪問主存的次數(shù)以及壓縮程序占用的內(nèi)存空間等方面都起著重要作用。每臺計算機的指令系統(tǒng)都有自己的一套尋址方式。3.3指令系統(tǒng)3.立即尋址立即尋址是將操作數(shù)直接傳送給寄存器的一種尋址方式操作數(shù)緊跟在操作碼之后，作為指令的一部分。立即數(shù)可以是字節(jié)（8位）、字（16位）、雙字（32位），其低位字節(jié)放在低地址單元，高位字節(jié)放在高地址單元。例如：MOVAL，0CAHMOVAX，2100H低地址高地址操作碼34H12H12HAX34H3.3指令系統(tǒng)4.寄存器尋址寄存器尋址是用于寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送，源和目的寄存器必須使用相同的位數(shù)。例如：MOVBL，ALMOVBX，AXMOVBL，AXMOVBX，AH3.3指令系統(tǒng)5.直接尋址指令所需操作數(shù)在某存儲單元中，指令中形式地址字段給出的就是該存儲單元的地址。3.3指令系統(tǒng)6.寄存器間接尋址

指令所需操作數(shù)在存儲單元之中，采用這種尋址方式時，應(yīng)事先把操作數(shù)的偏移地址存入一個寄存器（Rm）中。寄存器間接尋址是把形式地址字段指定寄存器的內(nèi)容作為操作數(shù)的有效地址，由該地址所指定的存儲單元的內(nèi)容作為操作數(shù)。3.3指令系統(tǒng)

CPU的工作過程實際上就是指令的執(zhí)行過程，一條指令執(zhí)行的基本過程分為：取指令階段、分析及取數(shù)階段和執(zhí)行階段。⑴

取指令將現(xiàn)行指令從內(nèi)存中取出來并送至指令寄存器中去。具體的操作為：①將程序計數(shù)器PC中的內(nèi)容通過地址總線AB送至內(nèi)存地址寄存器AR。②向內(nèi)存發(fā)讀命令。③從內(nèi)存中取出的指令經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR、數(shù)據(jù)總線DB送到指令寄存器IR中去。④將PC的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好準備。3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例1.數(shù)據(jù)傳送指令包括一般傳送指令MOV、堆棧指令PUSH和POP等。⑴MOV指令MOV指令是數(shù)據(jù)復(fù)制指令應(yīng)當保持數(shù)據(jù)寬度（位數(shù)）一致寄存器reg

存儲器mem段寄存器sreg，CS除外立即數(shù)data3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例MOV指令舉例MOVAL，0CAH ；立即尋址MOVAL，[0CAH] ；直接尋址，(DS)MOVBL，AL ；寄存器尋址，(AL)MOVCX，[BX] ；寄存器間接尋址，(DS)，(BX)MOVCX，[100H+BP] ；寄存器相對尋址，(SS)，(BP)MOVCX，[BX][SI] ；基址變址尋址，(DS)，(BX)，(SI)MOVCX，[10H+BP+SI] ；相對基址變址尋址，(SS)，(BP)， (SI)3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例⑵PUSH/POP指令PUSHFPUSHAXPUSHBX...POPBXPOPAXPOPF3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例2.算術(shù)運算指令包括加法、減法、乘法、除法、加1、減1、求補、比較等。⑴加、減和比較指令A(yù)DDBX,DXADDCAX,CX ；(AX)(BX)=(AX)(BX)+(CX)(DX),32位二進制數(shù)加法ADDAL,BLDDAMOVCL,ALMOVAL,AHADDCAL,BHDDAMOVAH,ALMOVAL,CL ；(AX)=(AX)+(BX),4位BCD加法3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例⑵乘法/除法指令乘法和除法指令必須區(qū)分有符號數(shù)和無符號數(shù)，符號數(shù)：IMUL、IDIV；無符號數(shù)：MUL、DIVMULBL ；(AL)=0B4H,(BL)=11H

；(AX)=0BF4H,CF=OF=1 0B4H11H 0B4H+0B4H0BF4H3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例

3.基本邏輯指令與（AND）、或（OR）、異或（XOR）、非（NOT）和測試（TEST）指令4.移位元與循環(huán)指令3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例

5.程控指令用于控制程序的執(zhí)行方向，使程序具有測試、分析與判斷的能力。包括：轉(zhuǎn)移控制指令、子程序調(diào)用和返回指令、中斷控制指令等。⑴轉(zhuǎn)移控制指令無條件轉(zhuǎn)移

MOVBX，5H JMPROUT1 MOVAX，55HROUT1：ADDAX，10H；(AX)=(AX)+10H3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例

ADDAX,-5H JZROUT1 ADDAX，10HROUT1：若執(zhí)行前(AX)=5H，則執(zhí)行結(jié)果(AX)=0。若執(zhí)行前(AX)≠5H，則執(zhí)行結(jié)果(AX)=(AX)+10H3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例

⑵程序循環(huán)指令

MOVCX，0AH MOVAL，0 MOVSI，2000HLP： ADDAL，[SI] INCSI LOOPLP MOV[SI]，AL執(zhí)行后（2200AH）=37H1234567890AH(DS)=2000H22000H2200AH數(shù)據(jù)段0BH執(zhí)行前3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例

⑶子程序調(diào)用和返回指令子程序是一組可以公用的指令序列，只要知道子程序的入口地址就能調(diào)用它。⑷中斷控制指令當出現(xiàn)某些特殊情況，必須暫?，F(xiàn)在運行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一組專門的程序進行某些處理，處理結(jié)束后又返回到原程序繼續(xù)運行。中斷包括：硬件中斷，是由外部設(shè)備發(fā)出的中斷請求信號。軟件中斷。是由內(nèi)部驅(qū)動或由內(nèi)部事件引發(fā)的中斷。3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例

6.輸入/輸出指令輸入/輸出（I/O）指令用來實現(xiàn)主機與外部設(shè)備之間的信息交換。指令中應(yīng)給出I/O端口地址（Port），這些端口地址與內(nèi)存的存儲單元地址無關(guān)，是另一個獨立的地址空間。直接端口尋址：指令中可以直接給出端口地址，最多只能尋址256個端口；間接端口尋址：由DX寄存器間接給出端口地址，最多可以尋址65536個端口。指令必須使用AL（8位）、AX（16位）傳遞數(shù)據(jù)。3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例

輸入指令

INAL，50H執(zhí)行后，(AL)=1 MOVDX，278H INAL，DX執(zhí)行后，(AL)=0AH12340AH050H278HI/O端口0BH執(zhí)行前3.3.380X86指令系統(tǒng)舉例

輸出指令

MOVAL，0AAH OUT50H，AL執(zhí)行后，(端口50H)=0AAH MOVAL，55H MOVDX，278H OUTDX，AL執(zhí)行后，(端口278H)=55H0AAH23455H050H278HI/O端口0BH執(zhí)行后3.3.4指令系統(tǒng)的發(fā)展1.指令系統(tǒng)的發(fā)展方向指令系統(tǒng)是伴隨著計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完善和性能的提高而發(fā)展起來的，指令系統(tǒng)的發(fā)展有兩種不同的途徑和方向：一種是一步增強原有指令的功能以及設(shè)置更為復(fù)雜的新指令取代原先由軟件子程序完成的功能。按此方向發(fā)展，指令系統(tǒng)日益龐大和復(fù)雜，用這種途徑設(shè)計成CPU的計算機稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機（ComplexInstructionSetComputer），簡稱CISC。另一種是通過減少指令種類和簡化指令功能來降低硬件設(shè)計的復(fù)雜度，提高指令的執(zhí)行速度。按此方向發(fā)展，指令系統(tǒng)日益縮小和精簡，用這種途徑設(shè)計成CPU的計算機即為精簡指令系統(tǒng)計算機（ReducedInstructionSetComputer），簡稱RISC。3.3.4指令系統(tǒng)的發(fā)展2．從CISC到RISC傳統(tǒng)的計算機多屬于CISC，CISC的特點：指令系統(tǒng)多達幾百條指令，許多指令的功能異常復(fù)雜，具有多種尋址方式。計算機的研制周期變得很長，同時也增加了設(shè)計失誤的可能性。而且由于復(fù)雜指令需進行復(fù)雜的操作，有時還可能降低系統(tǒng)的執(zhí)行速度。“20％-80％律”3.3.4指令系統(tǒng)的發(fā)展RISC設(shè)計應(yīng)遵循的原則：①

只選擇使用頻度高的指令，指令數(shù)目一般不超過100條。②

尋址方式種類少，一般不超過2種，指令格式力求一致。③

所有或大多數(shù)指令在單個機器周期內(nèi)完成。④

擴大通用寄存器的數(shù)目，一般不少于32個。⑤

盡量減少訪問內(nèi)存，除存（Load）、?。⊿tore）指令外，其它指令一律只對寄存器操作。⑥

為提高指令執(zhí)行速度，大多數(shù)指令用硬連線控制實現(xiàn)，少數(shù)指令才用微程序?qū)崿F(xiàn)。⑦

優(yōu)化編譯，簡單有效地支持高級語言的實現(xiàn)。3.4匯編語言匯編語言是一種面向CPU指令系統(tǒng)的程序設(shè)計語言，用匯編語言編寫的程序稱作匯編程序或匯編語言源程序。用匯編語言編寫的一條匯編程序語句由四個域組成：[名字]操作符

操作數(shù)

[：注釋]一個完整的程序則包括段定義、數(shù)據(jù)定義、程序段定義和程序指令語句以及正確的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

指令語句包括：指令、標號和注釋。偽指令語句是為匯編語言和連接程序提供的含有必要控制信息的管理性語句。匯編時，偽指令不會產(chǎn)生目標代碼。偽指令語句對應(yīng)的偽操作在匯編過程中完成。宏指令語句由標號、宏指令和注釋組成，是按照宏指令定義規(guī)則組成的一組指令語句和偽指令語句的集合。3.4匯編語言工具軟件編輯程序：文本編輯器匯編程序：MASM連接程序：LINK調(diào)試程序：DEBUG生成的文件匯編原程序：*.ASM目標文件：*.OBJ列表文件：*.LST交叉引用表：*.CRF可執(zhí)行程序：*.EXE連接映象：*.MAP2.5.1指令的執(zhí)行過程1．指令執(zhí)行的基本過程一條指令分為：取指令階段、分析及取數(shù)階段和執(zhí)行階段。⑴

取指令將現(xiàn)行指令從內(nèi)存中取出來并送至指令寄存器中去。具體的操作為：①

將程序計數(shù)器PC中的內(nèi)容通過地址總線AB送至內(nèi)存地址寄存器AR。②

向內(nèi)存發(fā)讀命令。③

從內(nèi)存中取出的指令經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器DR、數(shù)據(jù)總線DB送到指令寄存器IR中去。④

將PC的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好準備。2.5.1指令的執(zhí)行過程⑵分析及取數(shù)指令譯碼器ID識別和區(qū)分不同的指令類型及各種獲取操作數(shù)的方法無操作數(shù)指令，即轉(zhuǎn)執(zhí)行階段。帶操作數(shù)指令需要讀取操作數(shù)，⑶執(zhí)行執(zhí)行階段完成指令規(guī)定的各種操作，形成穩(wěn)定的運算結(jié)果，并將其存儲起來。2.5.2一段程序的執(zhí)行過程

計算a+b