第2章計算機的基本結構與工作過程

1、 第第2章章 計算機的基本結構與工作過程計算機的基本結構與工作過程1 本章主要內容本章主要內容（1）計算機及微型計算機的組成計算機及微型計算機的組成（2）計算機的工作過程）計算機的工作過程 2本章主要復習內容本章主要復習內容1.微型計算機的主要技術指標。微型計算機的主要技術指標。2.微型計算機基本結構。微型計算機基本結構。32.1 計算機的基本結構計算機的基本結構2.1.1 馮馮諾伊曼計算機基本結構諾伊曼計算機基本結構 世界上第一臺電子計算機世界上第一臺電子計算機ENIAC采用電子管作主要構采用電子管作主要構成元件，大大提高了運算速度，達到每秒鐘完成加法運成元件，大大提高了運算速度，達到每秒鐘

2、完成加法運算算5000次，但它存在一個主要缺陷是次，但它存在一個主要缺陷是不能存儲程序不能存儲程序。 它是由人工設置開關并以插入和拔出導線插頭的方式來它是由人工設置開關并以插入和拔出導線插頭的方式來編制程序的。編程時需要對大約編制程序的。編程時需要對大約6000多位開關進行仔細多位開關進行仔細的機械定位，并用轉插線把選定的各個控制部分互連起的機械定位，并用轉插線把選定的各個控制部分互連起來以構成程序序列。這種原始的機械式編程方法顯然效來以構成程序序列。這種原始的機械式編程方法顯然效率很低。率很低。 圖圖2.1展示了展示了ENIAC的組成及工作情形概貌。的組成及工作情形概貌。 4 圖圖2.1 世

3、界上第一臺電子計算機世界上第一臺電子計算機ENIAC5 19441945年間，馮年間，馮諾伊曼應邀參加諾伊曼應邀參加ENIAC計算機研計算機研制任務。在研制過程中，他深深地感到制任務。在研制過程中，他深深地感到ENIAC不能存不能存儲程序這一缺陷，并在儲程序這一缺陷，并在1945年由他領導的年由他領導的EDVAC試制試制方案中，他作為一位主要倡導者指出：方案中，他作為一位主要倡導者指出：ENIAC的開關的開關定位和轉插線連接只不過代表著一些數字信息，它們定位和轉插線連接只不過代表著一些數字信息，它們完全可以像受程序管理的數據一樣，存放于主存儲器完全可以像受程序管理的數據一樣，存放于主存儲器中。

4、中。 這就是最早的這就是最早的“存儲程序概念存儲程序概念”(Stored Program Concept )的產生。的產生。 EDVAC計算機由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、計算機由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入設備和輸出設備五個部分組成。它采用了輸入設備和輸出設備五個部分組成。它采用了“存儲存儲程序程序”的思想，把數據和程序指令均用二進制代碼的的思想，把數據和程序指令均用二進制代碼的形式存放在存儲器中，保證了計算機能按事先存入的形式存放在存儲器中，保證了計算機能按事先存入的程序自動地進行運算。程序自動地進行運算。6 馮馮諾伊曼首先提出的諾伊曼首先提出的“存儲程序存儲程序”的思想，以及由他

5、的思想，以及由他首先規(guī)定的計算機的基本結構，人們稱之為首先規(guī)定的計算機的基本結構，人們稱之為“馮馮諾伊諾伊曼計算機結構曼計算機結構”。 歸納其基本內容，主要包括以下幾點：歸納其基本內容，主要包括以下幾點：(1) 計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五個部分組成。出設備五個部分組成。(2) 數據和程序均以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存數據和程序均以二進制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放的位置由存儲器的地址指定。儲器中，存放的位置由存儲器的地址指定。(3) 計算機在工作時能夠自動地從存儲器中取出指令加以計算機在工作時能夠自動地從

6、存儲器中取出指令加以執(zhí)行。執(zhí)行。7圖圖2.2 計算機基本組成框圖計算機基本組成框圖2.1.2 計算機的基本組成框圖及功能部件簡介計算機的基本組成框圖及功能部件簡介8存儲數據存儲數據和程序指令和程序指令將二進制代碼轉換將二進制代碼轉換為相應的源信息形為相應的源信息形式；輸出數據信息式；輸出數據信息識別并分析指令；識別并分析指令；向相關功能組件發(fā)送向相關功能組件發(fā)送操作指令；操作指令；實現程序控制；協(xié)調實現程序控制；協(xié)調各部工作；各部工作；是計算機的控制中心是計算機的控制中心將原始數據和程序輸將原始數據和程序輸入到計算機內部；轉入到計算機內部；轉換成為二進制代碼換成為二進制代碼算術運算邏輯運算算術

7、運算邏輯運算比較運算字符運算比較運算字符運算等等等等 圖圖2.2表明，程序和數據通過輸入設備送入到存儲器中；表明，程序和數據通過輸入設備送入到存儲器中；程序被啟動執(zhí)行時，控制器輸出地址及控制信號，并程序被啟動執(zhí)行時，控制器輸出地址及控制信號，并從相應的存儲單元中取出指令送到控制器中進行識別，從相應的存儲單元中取出指令送到控制器中進行識別，分析該指令執(zhí)行什么運算或操作，然后控制器根據指分析該指令執(zhí)行什么運算或操作，然后控制器根據指令含義發(fā)出操作命令。令含義發(fā)出操作命令。 例如將某存儲單元中存放的數據取出并送往運算器進例如將某存儲單元中存放的數據取出并送往運算器進行運算，再把運算結果送回存儲器的指

8、定單元中；當行運算，再把運算結果送回存儲器的指定單元中；當指定的運算或操作完成后，將結果通過輸出設備送出。指定的運算或操作完成后，將結果通過輸出設備送出。 通常將通常將運算器運算器和和控制器控制器合稱中央處理器合稱中央處理器CPU (Central Processing Unit )。CPU和存儲器一起構成計算機的主和存儲器一起構成計算機的主機部分，而將輸入設備和輸出設備稱為外圍設備。機部分，而將輸入設備和輸出設備稱為外圍設備。 在微型計算機中，往往把在微型計算機中，往往把CPU制作在一塊大規(guī)模集成制作在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，稱之為電路芯片上，稱之為微處理器微處理器( Microproce

9、ssor )。91. 存儲器存儲器 存儲器是用來存放程序和數據的記憶裝置。它是組成存儲器是用來存放程序和數據的記憶裝置。它是組成計算機的重要部件，也是使計算機能夠實現計算機的重要部件，也是使計算機能夠實現“存儲程存儲程序序”功能的基礎。功能的基礎。 根據存儲器和中央處理器的關系，存儲器可分為內存根據存儲器和中央處理器的關系，存儲器可分為內存和外存。和外存。 內存儲器是內存儲器是CPU可以直接對它進行讀出或寫入可以直接對它進行讀出或寫入(也稱訪也稱訪問問)的存儲器，用來存放當前正在使用或經常要使用的的存儲器，用來存放當前正在使用或經常要使用的程序和數據。它的容量較小，速度較快，但價格較高。程序和

10、數據。它的容量較小，速度較快，但價格較高。10 外存用來存放相對來說不經常使用的程序和數據，在外存用來存放相對來說不經常使用的程序和數據，在需要時與內存進行成批交換，需要時與內存進行成批交換，CPU 不能直接對外存進不能直接對外存進行訪問。外存的特點是存儲容量大，價格較低，但存行訪問。外存的特點是存儲容量大，價格較低，但存取速度較慢。外存通常由磁表面記錄介質構成，如磁取速度較慢。外存通常由磁表面記錄介質構成，如磁盤、磁帶等；現在已經出現采用激光技術的光盤作大盤、磁帶等；現在已經出現采用激光技術的光盤作大容量外存儲器。容量外存儲器。 內存通常由存儲體和有關的控制邏輯電路組成。存儲內存通常由存儲體

11、和有關的控制邏輯電路組成。存儲體是由存儲元件組成的一個信息存儲陣列。存儲體中體是由存儲元件組成的一個信息存儲陣列。存儲體中存放著程序和數據信息，而要對這些信息進行存取，存放著程序和數據信息，而要對這些信息進行存取，必須通過有關的控制邏輯電路才能實現。存儲體被劃必須通過有關的控制邏輯電路才能實現。存儲體被劃分為若干個分為若干個存儲單元存儲單元，每個單元存放一串二進制信息，每個單元存放一串二進制信息，也稱也稱存儲單元的內容存儲單元的內容。11 每個存儲單元有一個對應的編號，稱為存儲單元的地址。每個存儲單元有一個對應的編號，稱為存儲單元的地址。當當CPU要訪問某個存儲單元時，必須首先給出地址，送要訪

12、問某個存儲單元時，必須首先給出地址，送入存儲器的入存儲器的地址寄存器地址寄存器(MAR)，然后經譯碼電路選取相，然后經譯碼電路選取相應的存儲單元。應的存儲單元。 從存儲單元讀出的信息先送入存儲器的從存儲單元讀出的信息先送入存儲器的數據寄存器數據寄存器(MDR)，再傳送給目的部件；寫入存儲器的信息也要先，再傳送給目的部件；寫入存儲器的信息也要先送至存儲器的數據寄存器中，再依據給定的地址把數據送至存儲器的數據寄存器中，再依據給定的地址把數據寫入到相應存儲器單元中。寫入到相應存儲器單元中。 為了對存儲器進行讀、寫操作，控制器除了要給出地址為了對存儲器進行讀、寫操作，控制器除了要給出地址外，還要給出啟

13、動讀、寫操作的控制信號。這些控制信外，還要給出啟動讀、寫操作的控制信號。這些控制信號到底何時發(fā)出，要由機器的號到底何時發(fā)出，要由機器的操作時序操作時序決定。決定。12圖圖2.3 計算機存儲器的基本結構計算機存儲器的基本結構132運算器運算器 運算器是執(zhí)行算術運算運算器是執(zhí)行算術運算(加、減、乘、除等加、減、乘、除等) 和邏輯運和邏輯運算算(“與與”、“或或”、“非非”等等)的部件。的部件。 它除了具有一個稱之為算術邏輯單元它除了具有一個稱之為算術邏輯單元ALU (Arithmatic Logic Unit) 的核心部件外，還有一個能在運算開始時的核心部件外，還有一個能在運算開始時提供一個操作數

14、并在運算結束時存放運算結果的提供一個操作數并在運算結束時存放運算結果的累加累加寄存器寄存器(Accumulator)，以及通用寄存器組和有關控制，以及通用寄存器組和有關控制邏輯電路等。邏輯電路等。 功能較強計算機的運算器還具有專門的乘除法部件與功能較強計算機的運算器還具有專門的乘除法部件與浮點運算部件。浮點運算部件。143. 控制器控制器 控制器是指揮和控制計算機各部件協(xié)調工作的功能部控制器是指揮和控制計算機各部件協(xié)調工作的功能部件。它從存儲器中逐條取出指令，翻譯指令代碼，并件。它從存儲器中逐條取出指令，翻譯指令代碼，并產生各種控制信號以指揮整個計算機有條不紊地工作，產生各種控制信號以指揮整個

15、計算機有條不紊地工作，一步一步地完成指令序列所規(guī)定的任務。同時控制器一步一步地完成指令序列所規(guī)定的任務。同時控制器還要接收輸入輸出設備的請求信號以及運算器操作狀還要接收輸入輸出設備的請求信號以及運算器操作狀況的反饋信息，以決定下一步的工作任務。況的反饋信息，以決定下一步的工作任務。 控制器是整個計算機的操作控制中樞，它依據程序指控制器是整個計算機的操作控制中樞，它依據程序指令決定計算機在什么時間、根據什么條件去做什么工令決定計算機在什么時間、根據什么條件去做什么工作。作。 為了讓各種操作能按照一定的時間關系有序地進行，為了讓各種操作能按照一定的時間關系有序地進行，計算機內設有一套時序信號，給出

16、時間標志。計算機計算機內設有一套時序信號，給出時間標志。計算機的各個功能部件按照統(tǒng)一的時鐘或節(jié)拍信號，一個節(jié)的各個功能部件按照統(tǒng)一的時鐘或節(jié)拍信號，一個節(jié)拍一個節(jié)拍地快速而有秩序地完成各種操作任務。拍一個節(jié)拍地快速而有秩序地完成各種操作任務。15 通常將一條指令的整個執(zhí)行時間定義為一個通常將一條指令的整個執(zhí)行時間定義為一個指令周期指令周期(Instruction Cycle)；每個指令周期再劃分為幾個每個指令周期再劃分為幾個機器機器周期周期(Machine Cycle)；每個機器周期又分為幾個；每個機器周期又分為幾個時鐘時鐘周期周期。時鐘周期是機器操作的最小時間單位，它由機。時鐘周期是機器操作

17、的最小時間單位，它由機器的主頻來決定。器的主頻來決定。 基本的不可再分的簡單操作叫基本的不可再分的簡單操作叫“微操作微操作”，控制微操，控制微操作的命令信號叫作的命令信號叫“微命令微命令”，它是比，它是比“指令指令”更基本、更基本、更小的操作命令，例如開啟某個控制電位，清除某寄更小的操作命令，例如開啟某個控制電位，清除某寄存器或將數據輸入到某個寄存器等。存器或將數據輸入到某個寄存器等。 通常一條指令的執(zhí)行就是通過一串微命令的執(zhí)行來實通常一條指令的執(zhí)行就是通過一串微命令的執(zhí)行來實現的?？刂破鞯幕救蝿站褪歉鶕鞣N指令的要求，現的?？刂破鞯幕救蝿站褪歉鶕鞣N指令的要求，綜合有關的邏輯條件和時間條

18、件產生相應的微命令。綜合有關的邏輯條件和時間條件產生相應的微命令。16 按照微命令形成方式的不同，控制器的結構可分為兩按照微命令形成方式的不同，控制器的結構可分為兩種類型，即種類型，即組合邏輯控制器和組合邏輯控制器和微程序控制器微程序控制器。 組合邏輯控制器組合邏輯控制器直接由組合邏輯電路產生微操作控制直接由組合邏輯電路產生微操作控制信號，因而其操作速度較快，但相應的控制邏輯電路信號，因而其操作速度較快，但相應的控制邏輯電路十分龐雜，給設計、調試和檢測都帶來不便。十分龐雜，給設計、調試和檢測都帶來不便。 這種形式的控制器設計完畢后若想擴充和修改，則更這種形式的控制器設計完畢后若想擴充和修改，則

19、更為困難。但其突出的優(yōu)點是指令執(zhí)行速度很快，常用為困難。但其突出的優(yōu)點是指令執(zhí)行速度很快，常用于于RISC結構的機器中。結構的機器中。17 微 程 序 控 制 器微 程 序 控 制 器 是 采 用 微 程 序 設 計 技 術是 采 用 微 程 序 設 計 技 術(Microprogramming)實現的。實現的。 它是將指令執(zhí)行所需的微命令以代碼的形式編制成它是將指令執(zhí)行所需的微命令以代碼的形式編制成“微微指令指令”，并事先存放在控制存儲器，并事先存放在控制存儲器(一般為只讀存儲器一般為只讀存儲器)中。中。由若干條微指令組成一小段微程序，用來解釋一條機器由若干條微指令組成一小段微程序，用來解釋

20、一條機器指令的執(zhí)行。指令的執(zhí)行。 在在CPU執(zhí)行程序時，不斷地從控制存儲器中取出微指令，執(zhí)行程序時，不斷地從控制存儲器中取出微指令，由其所包含的微命令信息來控制相關的操作。由其所包含的微命令信息來控制相關的操作。 修改控制存儲器的內容即可改變計算機的指令系統(tǒng)。修改控制存儲器的內容即可改變計算機的指令系統(tǒng)。18 與組合邏輯控制器相比，微程序控制器具有規(guī)整性和與組合邏輯控制器相比，微程序控制器具有規(guī)整性和靈活性的突出優(yōu)點，但微程序控制器每執(zhí)行一條指令靈活性的突出優(yōu)點，但微程序控制器每執(zhí)行一條指令都要啟動控制存儲器中的一串微指令都要啟動控制存儲器中的一串微指令(即一段微程序即一段微程序)，因此指令的

21、執(zhí)行速度相對于組合邏輯控制器來說要慢。因此指令的執(zhí)行速度相對于組合邏輯控制器來說要慢。 微程序控制的概念最早由英國劍橋大學的威爾克斯微程序控制的概念最早由英國劍橋大學的威爾克斯(M.V.Wilkes)于于1951年提出，并將這種思想用于計算年提出，并將這種思想用于計算機控制器的設計。它實質上是用程序的方法來組織和機控制器的設計。它實質上是用程序的方法來組織和產生微操作控制信號，用存儲邏輯控制代替組合邏輯產生微操作控制信號，用存儲邏輯控制代替組合邏輯控制?？刂?。194輸入設備輸入設備 輸入設備的任務是用來輸入操作者或其他設備提供的輸入設備的任務是用來輸入操作者或其他設備提供的原始信息，并把它轉變

22、為計算機能夠識別的信息，送原始信息，并把它轉變?yōu)橛嬎銠C能夠識別的信息，送到計算機內部進行處理。到計算機內部進行處理。 傳統(tǒng)的輸入設備有鍵盤、卡片閱讀機、紙帶輸入機等。傳統(tǒng)的輸入設備有鍵盤、卡片閱讀機、紙帶輸入機等。新型的輸入設備種類很多，如光字符閱讀機、光筆、新型的輸入設備種類很多，如光字符閱讀機、光筆、鼠標器、圖形輸入器、漢字輸入設備、視頻攝像機等。鼠標器、圖形輸入器、漢字輸入設備、視頻攝像機等。205輸出設備輸出設備 輸出設備的任務是將計算機的處理結果以人或其他設輸出設備的任務是將計算機的處理結果以人或其他設備能夠識別和接受的形式備能夠識別和接受的形式(如文字、圖像、聲音等如文字、圖像、聲

23、音等)輸送輸送出來。出來。 常用的輸出設備有打印機、顯示器、繪圖儀等。現在常用的輸出設備有打印機、顯示器、繪圖儀等?，F在人們常見的各種計算機終端設備，把鍵盤和顯示器配人們常見的各種計算機終端設備，把鍵盤和顯示器配置在一起，它實際上是輸入設備置在一起，它實際上是輸入設備(鍵盤鍵盤)和輸出設備和輸出設備(顯顯示器示器)的組合。的組合。212.2 計算機的工作流程計算機的工作流程2.2.1 指令與程序指令與程序 指令是用來指揮和控制計算機執(zhí)行某種操作的命令。指令是用來指揮和控制計算機執(zhí)行某種操作的命令。通常，一條指條包括兩個基本組成部分，即通常，一條指條包括兩個基本組成部分，即操作碼部操作碼部分和操

24、作數部分分和操作數部分。 操作碼部分用來指出操作性質，如加法運算、減法運操作碼部分用來指出操作性質，如加法運算、減法運算、移位操作等；操作數部分用來指明操作數或操作算、移位操作等；操作數部分用來指明操作數或操作數的地址。數的地址。 一臺計算機所能識別和執(zhí)行的全部指令稱為該機的一臺計算機所能識別和執(zhí)行的全部指令稱為該機的指指令系統(tǒng)。令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是反映計算機的基本功能及工作效指令系統(tǒng)是反映計算機的基本功能及工作效率的重要標志。它是計算機的使用者編制程序的基本率的重要標志。它是計算機的使用者編制程序的基本依據，也是計算機系統(tǒng)結構設計的出發(fā)點。依據，也是計算機系統(tǒng)結構設計的出發(fā)點。22 從形式上看

25、，指令和二進制表示的數據并無區(qū)別，但它從形式上看，指令和二進制表示的數據并無區(qū)別，但它們的含義和功能是不同的。指令的這種二進制表示方法，們的含義和功能是不同的。指令的這種二進制表示方法，使計算機能夠把由指令構成的程序像數據一樣存放在存使計算機能夠把由指令構成的程序像數據一樣存放在存儲器中。這就是儲器中。這就是“存儲程序存儲程序”計算機的重要特點。計算機的重要特點。 計算機能夠方便地識別和執(zhí)行存放在存儲器中的二進制計算機能夠方便地識別和執(zhí)行存放在存儲器中的二進制代碼指令。但對于計算機的使用者來說，書寫、閱讀、代碼指令。但對于計算機的使用者來說，書寫、閱讀、記憶以及修改這種表示形式的指令確十分不便

26、。記憶以及修改這種表示形式的指令確十分不便。 人們通常使用一些助記符來代替它，例如用人們通常使用一些助記符來代替它，例如用ADD表示加表示加法，用法，用SUB表示減法，用表示減法，用MOV表示傳送等。表示傳送等。23 為了讓計算機做一件復雜的工作，總是先要把解決問為了讓計算機做一件復雜的工作，總是先要把解決問題的過程分解為若干步驟，然后用相應的指令序列，題的過程分解為若干步驟，然后用相應的指令序列，按照一定的順序去控制計算機完成這一工作。這樣的按照一定的順序去控制計算機完成這一工作。這樣的指令序列就稱為指令序列就稱為程序程序。 通常把用二進制代碼形式組成的指令序列稱為通常把用二進制代碼形式組成

27、的指令序列稱為機器語機器語言程序言程序。它是計算機能夠直接識別和運行的程序；而。它是計算機能夠直接識別和運行的程序；而把用助記符形式組成的指令序列稱為把用助記符形式組成的指令序列稱為匯編語言程序或匯編語言程序或符號程序。符號程序。 符號程序比二進制代碼程序易讀、易寫，也便于檢查符號程序比二進制代碼程序易讀、易寫，也便于檢查和交流。但是，機器是不能直接識別符號程序的，還和交流。但是，機器是不能直接識別符號程序的，還必須將其翻譯或轉換為二進制代碼程序，才能被計算必須將其翻譯或轉換為二進制代碼程序，才能被計算機直接識別和執(zhí)行。這種翻譯和轉換工作通常也是由機直接識別和執(zhí)行。這種翻譯和轉換工作通常也是由

28、計算機中專門的程序計算機中專門的程序（匯編器）（匯編器）自動完成的。自動完成的。 242.2.2 計算機的基本工作流程計算機的基本工作流程1模型計算機結構模型計算機結構 首先從一個經過簡化的模型機入手，用以扼要說明計首先從一個經過簡化的模型機入手，用以扼要說明計算機是怎樣進行工作的。模型計算機的結構如圖算機是怎樣進行工作的。模型計算機的結構如圖2.4所所示。示。 25圖圖2.4 模型計算機結構模型計算機結構26 圖圖2.4的右邊為的右邊為存儲器部分存儲器部分，它用于存放指令和數據；左，它用于存放指令和數據；左邊則屬于邊則屬于CPU部分部分，它又包括運算器和控制器兩個組成，它又包括運算器和控制器

29、兩個組成部分，實現指令的分析、執(zhí)行以及數據的運算和處理等部分，實現指令的分析、執(zhí)行以及數據的運算和處理等功能；功能； 對于一個完整的計算機結構，還應有接口電路及輸入輸對于一個完整的計算機結構，還應有接口電路及輸入輸出設備等部分，此處省略未畫；圖中的總線出設備等部分，此處省略未畫；圖中的總線(BUS)是各是各部件間傳送信息的公共通道。部件間傳送信息的公共通道。 CPU中有幾個最基本的功能部件，對于各種結構形式的中有幾個最基本的功能部件，對于各種結構形式的計算機來說，都是必不可少的。計算機來說，都是必不可少的。27 (1) 程序計數器程序計數器PC (Program Counter) 程序計數器也

30、稱指令計數器，用來指出計算機要執(zhí)行程序計數器也稱指令計數器，用來指出計算機要執(zhí)行的指令所在存儲單元的地址，具有自動增量計數的功的指令所在存儲單元的地址，具有自動增量計數的功能。能。 當程序被執(zhí)行時，當程序被執(zhí)行時，CPU總是把總是把PC的內容作為地址去訪的內容作為地址去訪問存儲器，從指定的存儲單元中取出一條指令并加以問存儲器，從指定的存儲單元中取出一條指令并加以譯碼和執(zhí)行。與此同時，譯碼和執(zhí)行。與此同時，PC的內容必須自動地轉換成的內容必須自動地轉換成下一條指令的地址，為取出下一條指令做好準備。下一條指令的地址，為取出下一條指令做好準備。 指令通常是按順序一條接一條執(zhí)行的，指令所在存儲指令通常

31、是按順序一條接一條執(zhí)行的，指令所在存儲單元的地址也是按順序排列的。這種情況下，每當取單元的地址也是按順序排列的。這種情況下，每當取出一條指令，出一條指令，PC就自動增量修改，給出下一條指令的就自動增量修改，給出下一條指令的地址，以便使程序順序往下執(zhí)行。地址，以便使程序順序往下執(zhí)行。28 有時會出現程序有時會出現程序“轉移轉移”的情況，此時的情況，此時CPU就把一個就把一個新的地址新的地址(即轉移目標地址即轉移目標地址)送往送往PC，下一條指令就按，下一條指令就按這一新的地址從存儲器中取出并加以執(zhí)行，從而使程這一新的地址從存儲器中取出并加以執(zhí)行，從而使程序的執(zhí)行由一個程序段轉向另一個程序段。序的

32、執(zhí)行由一個程序段轉向另一個程序段。(2) 指令寄存器指令寄存器IR(Instruction Register) 它保存著計算機當前正在執(zhí)行或即將執(zhí)行的指令。它保存著計算機當前正在執(zhí)行或即將執(zhí)行的指令。(3) 指令譯碼器指令譯碼器ID(Instruction Decoder) 它用來對指令進行譯碼，以確定指令的性質和功能。它用來對指令進行譯碼，以確定指令的性質和功能。(4) 控制邏輯陣列控制邏輯陣列 由它產生一系列微操作命令信號。當微操作的條件滿由它產生一系列微操作命令信號。當微操作的條件滿足時，就發(fā)出相應的微操作命令，以控制各個部件的足時，就發(fā)出相應的微操作命令，以控制各個部件的微操作。微操作

33、。29(5) 累加器累加器A 它是一個在運算前存放操作數而在運算結束時存放運它是一個在運算前存放操作數而在運算結束時存放運算結果的寄存器。它也用于算結果的寄存器。它也用于CPU與存儲器和與存儲器和I/O接口電接口電路間的數據傳送。路間的數據傳送。(6) 算術邏輯部件算術邏輯部件ALU 它是用來進行算術運算與邏輯運算的部件。它是用來進行算術運算與邏輯運算的部件。算術邏輯算術邏輯單元單元ALU(Arithmetic Logic Unit)ALU(Arithmetic Logic Unit)是計算機的中央處是計算機的中央處理器理器(CPU)(CPU)中的算術與邏輯單元，主要負責執(zhí)行所有數中的算術與邏

34、輯單元，主要負責執(zhí)行所有數學與邏輯功能。學與邏輯功能。它以累加器它以累加器 A(Accumulator)的內容作的內容作為一個操作數；另一個操作數由內部數據總線供給，為一個操作數；另一個操作數由內部數據總線供給，可以是寄存器可以是寄存器(Register) 中的內容，也可以是由數據寄中的內容，也可以是由數據寄存器存器DR(Data Register)供給的由內存讀出的內容等；供給的由內存讀出的內容等；操作的結果通常放在累加器操作的結果通常放在累加器A中。中。30(7) 標志寄存器標志寄存器F 它是用來反映和保存運算的部分結果，例如結果是否它是用來反映和保存運算的部分結果，例如結果是否為零，結果

35、的正、負等。另外，為零，結果的正、負等。另外，CPU的某種內部控制的某種內部控制信息信息(例如是否允許中斷等例如是否允許中斷等)也反映在標志寄存器中。也反映在標志寄存器中。(8) MAR(Address Register)地址寄存器地址寄存器它把要尋址的單元的地址它把要尋址的單元的地址( (可以是指令可以是指令則地址由則地址由PCPC提供；也可以是數據提供；也可以是數據則地址要由指令中的操作數則地址要由指令中的操作數部分給定部分給定) )通過地址總線，送至存儲器。通過地址總線，送至存儲器。312指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程一條指令的執(zhí)行過程可以概括為三個基本階段或過程，一條指令的執(zhí)行過程可以概

36、括為三個基本階段或過程，即即取指令取指令、分析指令分析指令和和執(zhí)行指令執(zhí)行指令。下面圍繞這三個基。下面圍繞這三個基本階段來說明計算機執(zhí)行指令的基本操作過程。本階段來說明計算機執(zhí)行指令的基本操作過程。(1) 開始執(zhí)行程序時，程序計數器開始執(zhí)行程序時，程序計數器PC中保存第一條指令的中保存第一條指令的地址，它指明了當前將要執(zhí)行的指令存放在存儲器的地址，它指明了當前將要執(zhí)行的指令存放在存儲器的哪一個單元中。哪一個單元中。(2) 控制器把控制器把PC中保存的指令地址送往存儲器的地址寄存中保存的指令地址送往存儲器的地址寄存器器MAR，并發(fā)出，并發(fā)出“讀命令讀命令”。存儲器按給定的地址讀。存儲器按給定的地

37、址讀出指令，經由數據寄存器出指令，經由數據寄存器MDR MDR(Memory Data Register)送往控制器，保存在指令寄存器送往控制器，保存在指令寄存器IR中。中。(3) 指令譯碼器指令譯碼器ID對指令寄存器對指令寄存器IR中的指令進行譯碼，分中的指令進行譯碼，分析指令的操作性質，并由控制邏輯陣列向存儲器、運析指令的操作性質，并由控制邏輯陣列向存儲器、運算器等有關部件發(fā)出微操作命令。算器等有關部件發(fā)出微操作命令。32(4) 當需要由存儲器向運算器提供操作數時，控制器根據當需要由存儲器向運算器提供操作數時，控制器根據指令的地址部分，形成操作數所在的存儲器單元地址，指令的地址部分，形成操

38、作數所在的存儲器單元地址，并送往存儲器的并送往存儲器的MAR，然后向存儲器發(fā)出，然后向存儲器發(fā)出“讀命令讀命令”。(5) 存儲器讀出的數據經由直接送往運算器。與此同時，存儲器讀出的數據經由直接送往運算器。與此同時，控制器命令運算器對數據進行指令規(guī)定的運算控制器命令運算器對數據進行指令規(guī)定的運算(6) 一條指令執(zhí)行完畢后，控制器就要接著執(zhí)行下一條指一條指令執(zhí)行完畢后，控制器就要接著執(zhí)行下一條指令。為了把下一條指令從存儲器取出來，通?？刂破髁睢榱税严乱粭l指令從存儲器取出來，通?？刂破靼寻裀C的內容自動加上一個值，以形成下一條指令的地的內容自動加上一個值，以形成下一條指令的地址；而在遇到轉移指令時

39、，控制器則把址；而在遇到轉移指令時，控制器則把“轉移地址轉移地址”送往送往PC。控制器不斷重復上述過程的控制器不斷重復上述過程的(2)到到(6)，每重復一次，就，每重復一次，就執(zhí)行了一條指令，直到整個程序執(zhí)行完畢。執(zhí)行了一條指令，直到整個程序執(zhí)行完畢。33存儲器讀操作存儲器讀操作34存儲器寫操作存儲器寫操作35BIUBIU （Bus Interface UnitBus Interface Unit）包括：包括：4 4個個1616位的段地址寄存器位的段地址寄存器(CS(CS、DSDS、SSSS、ES)ES)；1 1個個1616位的指令指針寄存器位的指令指針寄存器IPIP（即（即PCPC）；）；1

40、 1個個2020位的地址加法器；位的地址加法器；指令隊列寄存器；指令隊列寄存器；內部寄存器；內部寄存器；輸入輸出總線控制邏輯；輸入輸出總線控制邏輯；EUEU （Execution UnitExecution Unit）包括：包括：4 4個個1616位的通用數據寄存器位的通用數據寄存器(AX(AX、BXBX、CXCX、DX)DX)；4 4個個1616位的專用寄存器位的專用寄存器(BP(BP、SPSP、SISI、DI)DI)；1 1個個1616位的標志寄存器位的標志寄存器FRFR；計算機結構舉例計算機結構舉例8086的功能結構的功能結構368086CPU8086CPU從功能上來說分成兩大部分：總線

41、接口單元從功能上來說分成兩大部分：總線接口單元BIUBIU（Bus Interface UnitBus Interface Unit）和執(zhí)行單元）和執(zhí)行單元EUEU（Execution UnitExecution Unit）。BIUBIU負責負責8086CPU8086CPU與存儲器之間的信息傳送。具體地說，與存儲器之間的信息傳送。具體地說，即即BIUBIU負責從內存的指定單元取出指令，送至指令流隊列中負責從內存的指定單元取出指令，送至指令流隊列中排隊（排隊（80868086的指令流隊列是的指令流隊列是6 6個字節(jié)）；在執(zhí)行指令時所需個字節(jié)）；在執(zhí)行指令時所需的操作數，也由的操作數，也由BIUB

42、IU從內存的指定區(qū)域取出，傳送給從內存的指定區(qū)域取出，傳送給EUEU部分部分去執(zhí)行。去執(zhí)行。EUEU部分負責指令的執(zhí)行。其中主要由數據寄存器、指針部分負責指令的執(zhí)行。其中主要由數據寄存器、指針寄存器與算術邏輯單元（寄存器與算術邏輯單元（ALUALU）組成。這樣，取指部分與執(zhí)）組成。這樣，取指部分與執(zhí)行指令部分是分開的，于是在一條指令的執(zhí)行過程中，就可行指令部分是分開的，于是在一條指令的執(zhí)行過程中，就可以取出下一條（或多條）指令，在指令流隊列中排隊。在一以取出下一條（或多條）指令，在指令流隊列中排隊。在一條指令執(zhí)行完以后就可以立即執(zhí)行下一條指令，減少了條指令執(zhí)行完以后就可以立即執(zhí)行下一條指令，減

43、少了CPUCPU為取指令而等待的時間，提高了為取指令而等待的時間，提高了CPUCPU的利用率，提高了整個的利用率，提高了整個運行速度。運行速度。37 指令隊列是用來暫存指令的一組寄存器，按指令隊列是用來暫存指令的一組寄存器，按“先進先先進先出出”原則讀寫。原則讀寫。 在在8086/8088 CPU中，只要指令隊列未填滿，中，只要指令隊列未填滿，BIU就從就從外部存儲器取指令并放入指令隊列中；另一方面，只外部存儲器取指令并放入指令隊列中；另一方面，只要指令隊列中不空，要指令隊列中不空，EU就可將指令隊列中已有的指令就可將指令隊列中已有的指令取出執(zhí)行，這樣取出執(zhí)行，這樣BIU和和EU按并行方式重疊

44、操作，大大按并行方式重疊操作，大大提高了提高了CPU的利用率，也降低了的利用率，也降低了CPU對存儲器、對存儲器、I/O端端口存取速度的要求?？诖嫒∷俣鹊囊?。 8086CPU中的指令隊列緩沖器長度為中的指令隊列緩沖器長度為6個字節(jié)，而個字節(jié)，而8088CPU只有只有4個字節(jié)。個字節(jié)。383計算機的工作流程計算機的工作流程 當使用計算機處理實際問題時，必須事先把求解的問題當使用計算機處理實際問題時，必須事先把求解的問題分解為計算機能執(zhí)行的基本運算，即在上機之前，應當分解為計算機能執(zhí)行的基本運算，即在上機之前，應當依據一定的算法把求解的問題編制成計算程序。依據一定的算法把求解的問題編制成計算程序

45、。 程序是由一條一條的基本指令組成，每一條指令規(guī)定了程序是由一條一條的基本指令組成，每一條指令規(guī)定了計算機應執(zhí)行什么操作及操作數的地址。當把編好的程計算機應執(zhí)行什么操作及操作數的地址。當把編好的程序和它需要的原始數據通過輸入設備輸入計算機并使機序和它需要的原始數據通過輸入設備輸入計算機并使機器啟動運行后，計算機就能自動按指定的順序一步步地器啟動運行后，計算機就能自動按指定的順序一步步地執(zhí)行程序中的指令，直到計算出需要的結果，最后從輸執(zhí)行程序中的指令，直到計算出需要的結果，最后從輸出設備將結果輸送出來。出設備將結果輸送出來。 現在通過讓計算機求解一個簡單問題現在通過讓計算機求解一個簡單問題(25

46、3 + 40 )為例，為例，概括說明計算機的基本工作流程。概括說明計算機的基本工作流程。39第一步：第一步：由輸入設備將事先編制好的計算程序及原始數由輸入設備將事先編制好的計算程序及原始數據據25，3，40輸入到存儲器中。輸入到存儲器中。第二步：第二步：啟動計算機。在控制器的控制之下，計算機按啟動計算機。在控制器的控制之下，計算機按計算程序自動地進行操作。計算程序自動地進行操作。 (1) 從存儲器取出被乘數從存儲器取出被乘數25，送到運算器；，送到運算器； (2) 從存儲器取出乘數從存儲器取出乘數3，送到運算器，進行，送到運算器，進行253的乘的乘法操作，在運算器中求得中間結果法操作，在運算器

47、中求得中間結果75； (3) 從存儲器中取出加數從存儲器中取出加數40，送到運算器，進行，送到運算器，進行75+40的的加法操作，在運算器中求得加法結果加法操作，在運算器中求得加法結果115； (4) 將運算器中的最后結果將運算器中的最后結果115存入存儲器。存入存儲器。第三步：第三步：由輸出設備將最后結果由輸出設備將最后結果115打印輸出。打印輸出。402.3 計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成2.3.1 硬件與軟件硬件與軟件 一個完整的計算機系統(tǒng)，應由硬件及軟件兩大部分組一個完整的計算機系統(tǒng)，應由硬件及軟件兩大部分組成。成。 硬件硬件(Hardware)通常泛指構成計算機的設備實體。例通常泛

48、指構成計算機的設備實體。例如前面介紹的控制器、運算器、存儲器、輸入設備和如前面介紹的控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備等部件和設備，都是計算機硬件。一個計算輸出設備等部件和設備，都是計算機硬件。一個計算機系統(tǒng)應包含哪些部件，這些部件按什么結構方式相機系統(tǒng)應包含哪些部件，這些部件按什么結構方式相互連接成有機的整體，各部件應具備何種功能，采用互連接成有機的整體，各部件應具備何種功能，采用什么樣的器件和電路構成，以及在工藝上如何進行組什么樣的器件和電路構成，以及在工藝上如何進行組裝等，都屬于硬件的技術范疇。裝等，都屬于硬件的技術范疇。 軟件軟件(Software)通常泛指各類程序和數據。它們

49、實際上通常泛指各類程序和數據。它們實際上是由特定算法及其在計算機中的表示所構成。計算機是由特定算法及其在計算機中的表示所構成。計算機軟件一般包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。軟件一般包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。41 由計算機廠家提供、為了方便使用和管理計算機工作的由計算機廠家提供、為了方便使用和管理計算機工作的軟件軟件(如操作系統(tǒng)、數據庫管理系統(tǒng)等如操作系統(tǒng)、數據庫管理系統(tǒng)等)稱為稱為系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件； 為解決用戶的特定問題而編寫的軟件為解決用戶的特定問題而編寫的軟件(如科學計算、文字如科學計算、文字處理等軟件處理等軟件)統(tǒng)稱統(tǒng)稱應用軟件應用軟件。 隨著計算機硬件及軟件技術的不斷發(fā)展，硬件與軟件也隨著計算機

50、硬件及軟件技術的不斷發(fā)展，硬件與軟件也出現了相互補充、相互融合的發(fā)展方向。兩者之間的劃出現了相互補充、相互融合的發(fā)展方向。兩者之間的劃分界限也在不斷改變著。原來由硬件實現的一些操作也分界限也在不斷改變著。原來由硬件實現的一些操作也可以改由軟件來實現，稱為可以改由軟件來實現，稱為硬件軟化硬件軟化，它可以增加系統(tǒng)，它可以增加系統(tǒng)的靈活性和適應性；相反，原來由軟件實現的操作也可的靈活性和適應性；相反，原來由軟件實現的操作也可以改由硬件來實現，稱為以改由硬件來實現，稱為軟件硬化軟件硬化，它可以有效地發(fā)揮，它可以有效地發(fā)揮硬件成本日益降低的潛力，并顯著降低軟件在執(zhí)行時間硬件成本日益降低的潛力，并顯著降低

51、軟件在執(zhí)行時間上的開銷。上的開銷。42 從根本上來說，計算機的任何一種操作功能，既可以從根本上來說，計算機的任何一種操作功能，既可以用硬件來完成，也可以用軟件來完成，即通常所說的用硬件來完成，也可以用軟件來完成，即通常所說的軟件與硬件在邏輯上的等價性。對于一個具體的計算軟件與硬件在邏輯上的等價性。對于一個具體的計算機系統(tǒng)來說，究竟是采用軟件形式還是硬件形式來實機系統(tǒng)來說，究竟是采用軟件形式還是硬件形式來實現某一操作，要根據系統(tǒng)的價格、速度、靈活性以及現某一操作，要根據系統(tǒng)的價格、速度、靈活性以及生存周期等多方面因素來權衡決定。生存周期等多方面因素來權衡決定。 現在，由于大規(guī)模集成電路技術的提高

52、，人們已經著現在，由于大規(guī)模集成電路技術的提高，人們已經著手把許多復雜的、常用的軟件寫入容量大、價格低、手把許多復雜的、常用的軟件寫入容量大、價格低、體積小的可擦寫只讀存儲器體積小的可擦寫只讀存儲器EPROM或或EEPROM中，中，制成了制成了“固件固件”(Firmware)。 固件是一種介于軟件與硬件之間的實體，其功能類似固件是一種介于軟件與硬件之間的實體，其功能類似軟件，其形態(tài)又類似硬件。它代表著軟件與硬件相結軟件，其形態(tài)又類似硬件。它代表著軟件與硬件相結合的一種重要形式。合的一種重要形式。 432.3.2 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成要使計算機能夠正常而有效地工作，不但必須有

53、硬件要使計算機能夠正常而有效地工作，不但必須有硬件設備的支持，而且也要有良好的軟件環(huán)境的支持?，F設備的支持，而且也要有良好的軟件環(huán)境的支持?，F將一個完整的計算機系統(tǒng)的組成歸納如下：將一個完整的計算機系統(tǒng)的組成歸納如下： 442.4 微型計算機的分類及主要技術指標微型計算機的分類及主要技術指標2.4.1 微型計算機的分類微型計算機的分類 按微處理器的位數來劃分，即把微處理器的字長作為按微處理器的位數來劃分，即把微處理器的字長作為微型計算機的分類標準，通?？煞譃槲⑿陀嬎銠C的分類標準，通?？煞譃?位、位、8位、位、16位、位、32位、位、64位以及位片式的微型計算機。位以及位片式的微型計算機。 位片

54、式的微型計算機是由若干個位片組合而成的，一位片式的微型計算機是由若干個位片組合而成的，一片是一位，不同位片數可以組成不同字長的機器。這片是一位，不同位片數可以組成不同字長的機器。這類微型機的突出優(yōu)點是結構靈活。常見的產品有類微型機的突出優(yōu)點是結構靈活。常見的產品有MC 10800(4位位)、AM2900系列系列(4位位)、F100220系列系列(8位位)等。等。 按微型計算機的組裝形式，可分為單片機、單板機以按微型計算機的組裝形式，可分為單片機、單板機以及多板微型計算機。及多板微型計算機。45 單片微型機算機又稱單片微型機算機又稱“微控制器微控制器”（Microcontroller），），俗稱

55、俗稱“單片機單片機”。它是把。它是把CPU、存儲器以及、存儲器以及I/O接口電接口電路全部制作在一個芯片上的計算機。單片機中的存儲器路全部制作在一個芯片上的計算機。單片機中的存儲器容量不是很大，容量不是很大，I/O接口的數量也不是很多。它可以方接口的數量也不是很多。它可以方便地安裝在儀器、儀表、家電等設備之中。便地安裝在儀器、儀表、家電等設備之中。 單板微型計算機（簡稱單板機）是將單板微型計算機（簡稱單板機）是將CPU、存儲器和、存儲器和I/O接口安裝在一塊印刷電路板上。有的在印刷電路板接口安裝在一塊印刷電路板上。有的在印刷電路板上裝上小鍵盤和數碼管顯示器，用以實現簡單的輸入和上裝上小鍵盤和數

56、碼管顯示器，用以實現簡單的輸入和輸出。在只讀存儲器輸出。在只讀存儲器(EPROM)中裝有監(jiān)控程序中裝有監(jiān)控程序(Monitor)，用來管理整個單板機的工作。，用來管理整個單板機的工作。 46 多板微型計算機是把多板微型計算機是把CPU、存儲器、存儲器、I/O接口電路、電接口電路、電源等組裝在不同的印刷電路板上，然后組裝在同一機源等組裝在不同的印刷電路板上，然后組裝在同一機箱內，就構成了一個多板微型計算機。它可以配置鍵箱內，就構成了一個多板微型計算機。它可以配置鍵盤、顯示器、打印機、軟盤驅動器、硬盤驅動器等多盤、顯示器、打印機、軟盤驅動器、硬盤驅動器等多種外部設備和足夠的軟件，形成一個完整的微型

57、計算種外部設備和足夠的軟件，形成一個完整的微型計算機系統(tǒng)。機系統(tǒng)。472.4.2 微型計算機的主要技術指標微型計算機的主要技術指標 1字長字長 字長是指參與運算的數的基本位數。它決定著計算機內部字長是指參與運算的數的基本位數。它決定著計算機內部的寄存器、加法器以及數據總線等的位數，直接影響著機的寄存器、加法器以及數據總線等的位數，直接影響著機器的規(guī)模和造價。字長反映了一臺機器的計算精度，為了器的規(guī)模和造價。字長反映了一臺機器的計算精度，為了適應不同需要并協(xié)調精度和造價的關系，許多計算機支持適應不同需要并協(xié)調精度和造價的關系，許多計算機支持變字長運算，如半字長、全字長和雙字長等。變字長運算，如半

58、字長、全字長和雙字長等。 微型計算機的字長通常為微型計算機的字長通常為4位、位、8位、位、16位、位、32位等。目前，位等。目前，高性能微型計算機的字長已達高性能微型計算機的字長已達64位。位。2主存容量主存容量 主存儲器所能存儲的信息總量稱為主存容量。主存容量一主存儲器所能存儲的信息總量稱為主存容量。主存容量一般以字節(jié)數來表示。常用微型計算機的主存容量有般以字節(jié)數來表示。常用微型計算機的主存容量有8M字節(jié)、字節(jié)、16M字節(jié)、字節(jié)、32M字節(jié)、字節(jié)、1G字節(jié)（字節(jié)（2301G）等。主存容量）等。主存容量直接影響著整個機器系統(tǒng)的性能和價格。直接影響著整個機器系統(tǒng)的性能和價格。483運算速度運算速

59、度 計算機執(zhí)行的操作不同，所需要的時間也就不同，因計算機執(zhí)行的操作不同，所需要的時間也就不同，因而對運算速度存在不同的計算方法。早期曾采用綜合而對運算速度存在不同的計算方法。早期曾采用綜合折算的方法，即規(guī)定加、減、乘、除各占多少比例，折算的方法，即規(guī)定加、減、乘、除各占多少比例，折算出一個運算速度指標?，F在普遍采用每秒鐘執(zhí)行折算出一個運算速度指標。現在普遍采用每秒鐘執(zhí)行的機器指令條數作為運算速度指標，一般是指加減運的機器指令條數作為運算速度指標，一般是指加減運算這類短指令，并以算這類短指令，并以MIPS(Million Instruction Per Second)作為計量單位。作為計量單位。

60、4主頻率主頻率 在計算機內部，均有一個按某一頻率產生的時鐘脈沖在計算機內部，均有一個按某一頻率產生的時鐘脈沖信號，稱為主時鐘信號。主時鐘信號的頻率稱為計算信號，稱為主時鐘信號。主時鐘信號的頻率稱為計算機的主頻率，簡稱主頻。一般來說，主頻較高的計算機的主頻率，簡稱主頻。一般來說，主頻較高的計算機運算速度也較快。主頻是衡量一臺計算機速度的重機運算速度也較快。主頻是衡量一臺計算機速度的重要參數。目前，高性能微型計算的主頻已達要參數。目前，高性能微型計算的主頻已達1GHz以上。以上。495平均無故障時間平均無故障時間平均無故障時間平均無故障時間(MTBF)是衡量計算機可靠性的技術指標之一。是衡量計算機