微型計(jì)算機(jī)的工作原理和組成

1、第二節(jié) 微型計(jì)算機(jī)的工作原理,1945年，約翰馮諾依曼提出了存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)工作原理，也稱為馮諾依曼原理，定義計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件并描述其功能。 依據(jù)這一原理，計(jì)算機(jī)的功能部件包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備及各部分。 其主要特點(diǎn)是：二進(jìn)制、程序存儲(chǔ)、程序控制。,計(jì)算機(jī)中信息的表示形式 計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行 計(jì)算機(jī)如何控制執(zhí)行的順序,需解決的問(wèn)題,二進(jìn)制原理,由于二進(jìn)制在電路上實(shí)現(xiàn)方便、可靠，并且運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單，因而計(jì)算機(jī)中的一切信息都是用二進(jìn)制表示的，包括程序、數(shù)據(jù)、地址等。,程序存儲(chǔ)原理,任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)都只能完成某些特定的基本操作。 計(jì)算機(jī)能完成的基本操作用命令的形式表示

2、，稱為指令（即指揮計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的命令），一條指令對(duì)應(yīng)著一種基本的操作。 一臺(tái)計(jì)算機(jī)全部指令的集合就叫做該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)反映了計(jì)算機(jī)的基本功能，是在設(shè)計(jì)時(shí)就確定了下來(lái)。,需要計(jì)算機(jī)完成某項(xiàng)工作時(shí)，首先應(yīng)按照計(jì)算機(jī)的能完成的基本操作，將所需完成的工作按一定的順序分解成計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的基本操作的有序組合，以指令的形式按一定的順序排列起來(lái)，這就是程序（人們?yōu)榻鉀Q問(wèn)題而編制的一系列按一定順序排列的指令的集合）。 程序編制好后，為了讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行，采用了程序存儲(chǔ)的原理，即將程序送到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)起來(lái)，然后讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序，通過(guò)執(zhí)行程序，完成規(guī)定的操作，從而解決問(wèn)題。,程序控制原理,程序

3、通常是依次存放在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元中，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行的時(shí)候，自動(dòng)的逐條從存儲(chǔ)器中取出指令并執(zhí)行。,在計(jì)算機(jī)中，有一個(gè)專門用于存放將要執(zhí)行的指令所在位置的寄存器（程序計(jì)數(shù)器），在程序開始時(shí)，首先將存放程序的第一條指令的位置存放在程序計(jì)數(shù)器中，計(jì)算機(jī)就從這個(gè)位置開始取出指令并執(zhí)行，每取出一個(gè)存儲(chǔ)單元的指令后，程序計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容就自動(dòng)加一，指向下一條指令的地址，當(dāng)上一個(gè)單元的指令處理完成后，計(jì)算機(jī)就從下一個(gè)單元取出指令并執(zhí)行，除非遇到轉(zhuǎn)移改變程序執(zhí)行順序的指令，計(jì)算機(jī)就重復(fù)以上過(guò)程直至程序結(jié)束，完成所需的工作。,從上面的分析可以看出，計(jì)算機(jī)是通過(guò)呆板的依次執(zhí)行人們編制的程序中的指令來(lái)完成所需的工作的。計(jì)

4、算機(jī)工作的過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程。,依據(jù)上述原理，計(jì)算機(jī)應(yīng)該包含哪些功能部件？,計(jì)算機(jī)的功能部件,依據(jù)馮諾 伊曼原理，計(jì)算機(jī)應(yīng)包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備幾個(gè)部件，這些部件由總線連接起來(lái),如下圖所示：,運(yùn)算器，也稱為算術(shù)邏輯單元（ALU:arithmetic logical unit）,主要完成數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算以及移位等操作，是計(jì)算機(jī)中的信息加工部件。,運(yùn)算器,控制器是整個(gè)系統(tǒng)的指揮部件，它的任務(wù)是從內(nèi)存中取出指令加以分析，然后發(fā)出控制信號(hào)執(zhí)行某種操作?？刂破鞲鶕?jù)程序指揮系統(tǒng)工作，以完成程序所規(guī)定的任務(wù)。,在電子計(jì)算機(jī)中，運(yùn)算器和控制器是計(jì)算機(jī)的核心，和起來(lái)稱為中央處理單

5、元（Centra Processing Unit:CPU）,在微型計(jì)算機(jī)中，通常是將運(yùn)算器和控制器以及數(shù)量不等的寄存器做成一個(gè)獨(dú)立部件，用一片VLSI實(shí)現(xiàn)，稱為微處理器（MP）。,控制器,微處理器的功能和組成,功能 運(yùn)算器 控制器 寄存器,微處理器的基本功能：,微處理器,1進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算(ALU) 2具有接收存儲(chǔ)器和I/O接口來(lái)的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器和I/O接口的能力。(輸入輸出控制邏輯） 3可以暫存少量數(shù)據(jù)（寄存器） 4能對(duì)指令進(jìn)行寄存，譯碼并執(zhí)行指令所規(guī)定的操作 5能提供整個(gè)系統(tǒng)所需的定時(shí)和控制信號(hào) 6可響應(yīng)I/O設(shè)備發(fā)出的中斷請(qǐng)求,微處理器的組成部分：,運(yùn)算器（算術(shù)邏輯單元ALU）

6、、控制器、工作寄存器 、I/O控制邏輯。,算術(shù)邏輯單元：運(yùn)算器的核心部件，進(jìn)行算術(shù)、邏輯、移位等操作。有2個(gè)輸入端和2個(gè)輸出端，其中一端接至累加器，接收由累加器送來(lái)的一個(gè)操作數(shù)；另一端通過(guò)數(shù)據(jù)總線接到寄存器陣列，以接收第二個(gè)操作數(shù)。參加運(yùn)算的操作數(shù)在ALU中進(jìn)行規(guī)定的操作運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)束后，一方面將結(jié)果送至累加器，同時(shí)將操作結(jié)果的特征狀態(tài)送標(biāo)志寄存器。,累加器是一個(gè)特殊的寄存器，由于許多運(yùn)算的數(shù)據(jù)都要通過(guò)累加器，故累加器在微處理器中占有很重要的位置。,算術(shù)邏輯單元,控制器：完成指令的讀入、寄存、譯碼和執(zhí)行。包括程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序部件和控制邏輯部件。,控制器,程序計(jì)數(shù)器（PC

7、）：保存下一條要執(zhí)行的指令的地址，即由它提供一個(gè)存貯器地址，按此地址從對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器單元取出的內(nèi)容，就是要執(zhí)行的指令。一般程序是順序存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的，每取出一個(gè)存儲(chǔ)單元的指令，PC的內(nèi)容自動(dòng)加1，指向下一個(gè)存儲(chǔ)單元；要實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移，就要改變程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容。,指令寄存器：保存從存儲(chǔ)器中讀入的當(dāng)前要執(zhí)行的指令。 指令譯碼器：對(duì)指令寄存器中保存的指令進(jìn)行譯碼，確定要執(zhí)行的操作。 時(shí)序部件：產(chǎn)生微機(jī)各部件所需的定時(shí)信號(hào)，以保證各部件有條不紊的進(jìn)行信息傳送、加工和存儲(chǔ)等操作，它由時(shí)鐘系統(tǒng)及節(jié)拍發(fā)生器等組成。,控制邏輯：依據(jù)譯碼后的信號(hào)、節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生的節(jié)拍信號(hào)以及外部的狀態(tài)信號(hào)，發(fā)出一系列的控制信號(hào)，完

8、成指令的操作。,工作寄存器：各種CPU的內(nèi)部都包含數(shù)量不等的寄存器，用于暫存尋址和計(jì)算過(guò)程的信息。由于CPU內(nèi)部的寄存器的存取速度遠(yuǎn)比存儲(chǔ)器快，所以，寄存器用于暫時(shí)存放程序重復(fù)使用的數(shù)據(jù)、變量和中間結(jié)果。 工作寄存器分為兩類：數(shù)據(jù)寄存器和地址寄存器。 I/O控制邏輯：內(nèi)部總線分為內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和地址總線，它們分別通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖器和地址緩沖器與芯片外的系統(tǒng)總線相連。緩沖器用來(lái)暫時(shí)存放信息(數(shù)據(jù)或地址)，它具有驅(qū)動(dòng)放大能力。,計(jì)算機(jī)的記憶部件，它存儲(chǔ)控制計(jì)算機(jī)操作的命令信息（指令）和被處理加工的信息（數(shù)據(jù)），也存儲(chǔ)加工的中間結(jié)果和最終結(jié)果。,。,存儲(chǔ)器（memory）,存貯器的分類：,按和CPU的關(guān)系

9、：內(nèi)存、外存、高速緩沖存儲(chǔ)器,按存放數(shù)據(jù)的性質(zhì)：可分為隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM(Radom Access Memory)和只讀存儲(chǔ)器ROM(Read Only Memory)。,存儲(chǔ)器系統(tǒng)的性能指標(biāo)：容量、速度和成本,存儲(chǔ)容量是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的首要性能指標(biāo)，因?yàn)榇鎯?chǔ)容量越大，則系統(tǒng)能夠保存的信息量就越多，相應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能就越強(qiáng)；,存儲(chǔ)器的存取速度直接決定了整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，因此，存取速度也是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的重要的性能指標(biāo)；超高速：小于20 ns，中速：在100200 ns之間，低速：在300 ns以上。,存儲(chǔ)器的成本也是存儲(chǔ)器系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。,為了在存儲(chǔ)器系統(tǒng)中兼顧以上三個(gè)方面的指標(biāo)，目前在計(jì)算

10、機(jī)系統(tǒng)中通常采用三級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，由這三者構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)系統(tǒng)。,1K=210=1024, 1M=220 1G=230, 1T=240,位（bit）、字節(jié)(Byte)、字（word）,微型計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量通常都是以字節(jié)為單位表示的。,接口電路：泛指任何兩個(gè)系統(tǒng)之間的交接部分。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里， 接口指微機(jī) (或CPU) 與外部設(shè)備之間的連接通道及有關(guān)的控制電路。 接口的功能：作用是進(jìn)行速度匹配、信息匹配和完成某些控制功能。分為通用接口和專用接口。,輸入/輸出(I/O)設(shè)備又稱外設(shè)，通過(guò)I/O接口與CPU相連，它是計(jì)算機(jī)與外部世界聯(lián)系的橋梁。輸入設(shè)備及其接口的作用是將程序和數(shù)據(jù)以及其他形式的信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別和接受的電信號(hào)表示的二進(jìn)制代碼并送到計(jì)算機(jī)中；輸出設(shè)備及其接口的作用是將計(jì)算機(jī)處理的中間結(jié)果和最終結(jié)果以人們能夠識(shí)別的字符，圖形、圖像、聲音等形式輸出，供用戶分析