微電子與電路基礎作業(yè)一

1、微電子與電路基礎作業(yè)一：個人計算機的原理與組成信息科學技術學院11級本科生 倪焱學號1100012727摘要：本文主要講述個人計算機的原理與組成，其中重點介紹計算機控制器及與之相關的存儲器原理與組成。計算機的原理與信息表示：眾所周知，計算機是用二進制來表示信息的，8個二進制位為一個字節(jié)（B），之后的單位為千字節(jié)（KB）、兆字節(jié)（MB），以及GB、TB等等。通過不同的解釋方案，這些二進制位的信息既可以被解釋成為整形（int）、字符（char）、浮點數(shù)（float）等編程中的基礎類型，又可以被解釋成為圖像、聲音、指紋等等高級的信息表示。而之所以用二進制，是因為二進制可以較好地對應物理當中的電路狀態(tài)

2、：用電容的高電平來表示1，用低電平來表示0。同時通過一系列的邏輯電路（高中學過的與、或、非門電路是最基礎的典型）來改變這些電容的狀態(tài)，從而達到改變信息的目的，如下圖所示：計算機的基本組成：計算機的組成，從邏輯上講，只有控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備四種，而今天的個人計算機組成已經十分復雜，控制功能已不再單獨集成于CPU上?？偟膩碚f，個人計算機通過總線將控制器與存儲器及其它外置設備連接到一起（而我們通常所說的32位機64位機則是指總線一次能夠傳輸?shù)亩M制位的個數(shù)）：根據(jù)馮諾依曼體系結構，程序被存儲在存儲器當中。事實上計算機的電源一經接通，就開始執(zhí)行存儲在CMOS芯片當中的指令，該芯片保存了實

3、時時鐘的數(shù)據(jù)以及用戶設定的某些參數(shù)，進而引導計算機進入操作系統(tǒng)當中。此后根據(jù)已經存儲好的程序以及來自用戶和程序執(zhí)行中間的指令中斷對存儲在存儲器當中的信息做出改變。同時通過各種外圍輸出設備及其接口來將二進制的信息轉化成人類可以直觀理解的信息。然而，計算機中不同的部件處理信息的能力是不同的，中央處理器（CPU）處理速度最快，而各種外存儲器以及輸入設備的存取速度相比較而言則要慢的很多（現(xiàn)代CPU的主頻可以達到GHz的水平，而像鼠標鍵盤打印機這樣的外圍設備則慢了不止一個數(shù)量級），為了解決計算機各個部件處理信息速度不一樣造成計算資源浪費的問題，計算機體系結構的設計者們提出了緩存（cache）的思想：比如

4、在打印機的接口加入一個緩存，使CPU將所有要打印的東西一次性發(fā)送到緩存中，然后再由緩存向打印機緩慢輸出要打印的數(shù)據(jù)。這方面最典型的實例就是CPU高速緩存內存磁盤的處理器存儲器結構。在運行程序的時候，先將磁盤中的指令和已經保存的數(shù)據(jù)加載到內存當中；在程序執(zhí)行的同時，再將近期經常用到的數(shù)據(jù)加載到高速緩存當中供CPU使用，一般來說這些存儲器的存取速度和單位價格是反相關的，磁盤價格最低，存取速度最慢，CPU寄存器的價格最高，存取速度也最快。這樣的結構能使計算機當中的計算資源能夠得到最大化地利用。事實上為了提高計算性能，現(xiàn)代個人計算機的高速緩存已經做到了三層。中央處理器（CPU）的組成結構：中央處理器（

5、Central Process Unit,CPU）通常由寄存器、運算器以及控制器三部分組成，它們各司其職又互相配合從而得到了今天的擁有高性能計算的處理器：其中ALU（算術邏輯部件）就是通常所說的運算器；寄存器負責存儲-讀取數(shù)據(jù)（如前所述，其存儲數(shù)據(jù)的速度是計算機所有存儲設備中最快的）；控制器則負責控制數(shù)據(jù)的傳輸。CPU本質上是對指令的執(zhí)行設備。在一個時鐘周期內（時鐘周期是指裝載在CPU內部的脈沖器發(fā)出的脈沖的頻率，它決定了該CPU的處理速度）。CPU執(zhí)行一條指令可以分為以下四步：1. 程序控制器給主存儲器發(fā)出當前指令位置，讓RAM（隨機存儲器，一般是內存或高速緩存）把指令取出送給它，程序控制器對指令內容進行“解釋”，按照CPU的規(guī)定，弄清指令應該完成的運算操作。2. 根據(jù)指令取數(shù)據(jù)，一般是從CPU的寄存器組中取數(shù)，或者從主存儲器當中取數(shù)，不同的指令會有不同的取數(shù)規(guī)則。從主存儲器當中取出的數(shù)會直接參與運算，或者不參與運算而直接存儲到寄存器組內。3. 根據(jù)指令，指揮ALU進行運算，運算結果存于寄存器組內，寄存器組的數(shù)也可以轉存到主存儲器。4. 處理中斷。檢測是否存在要求暫時中斷程序正常執(zhí)行的異常信號，必要時轉入中斷子程序，處理中斷后返回，繼續(xù)正常的程序。5. 程序計數(shù)器根據(jù)指令當中的下一條指令的位置更新自己的數(shù)據(jù)，從而再執(zhí)行步驟1。小結：本文僅僅是對計算機組