微型計算機的工作原理和組成

1、第二節(jié) 微型計算機的工作原理,1945年，約翰馮諾依曼提出了存儲程序的計算機工作原理，也稱為馮諾依曼原理，定義計算機的各個部件并描述其功能。 依據(jù)這一原理，計算機的功能部件包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備及各部分。 其主要特點是：二進制、程序存儲、程序控制。,計算機中信息的表示形式 計算機如何實現(xiàn)自動執(zhí)行 計算機如何控制執(zhí)行的順序,需解決的問題,二進制原理,由于二進制在電路上實現(xiàn)方便、可靠，并且運算規(guī)則簡單，因而計算機中的一切信息都是用二進制表示的，包括程序、數(shù)據(jù)、地址等。,程序存儲原理,任何一臺計算機在設計時都只能完成某些特定的基本操作。 計算機能完成的基本操作用命令的形式表示

2、，稱為指令（即指揮計算機進行工作的命令），一條指令對應著一種基本的操作。 一臺計算機全部指令的集合就叫做該計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)反映了計算機的基本功能，是在設計時就確定了下來。,需要計算機完成某項工作時，首先應按照計算機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算機能實現(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，這就是程序（人們?yōu)榻鉀Q問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，為了讓計算機自動執(zhí)行，采用了程序存儲的原理，即將程序送到計算機的存儲器中存儲起來，然后讓計算機執(zhí)行程序，通過執(zhí)行程序，完成規(guī)定的操作，從而解決問題。,程序控制原理,程序

3、通常是依次存放在計算機的存儲單元中，計算機在執(zhí)行的時候，自動的逐條從存儲器中取出指令并執(zhí)行。,在計算機中，有一個專門用于存放將要執(zhí)行的指令所在位置的寄存器（程序計數(shù)器），在程序開始時，首先將存放程序的第一條指令的位置存放在程序計數(shù)器中，計算機就從這個位置開始取出指令并執(zhí)行，每取出一個存儲單元的指令后，程序計數(shù)器中的內容就自動加一，指向下一條指令的地址，當上一個單元的指令處理完成后，計算機就從下一個單元取出指令并執(zhí)行，除非遇到轉移改變程序執(zhí)行順序的指令，計算機就重復以上過程直至程序結束，完成所需的工作。,從上面的分析可以看出，計算機是通過呆板的依次執(zhí)行人們編制的程序中的指令來完成所需的工作的。計

4、算機工作的過程就是執(zhí)行程序的過程。,依據(jù)上述原理，計算機應該包含哪些功能部件？,計算機的功能部件,依據(jù)馮諾 伊曼原理，計算機應包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備幾個部件，這些部件由總線連接起來,如下圖所示：,運算器，也稱為算術邏輯單元（ALU:arithmetic logical unit）,主要完成數(shù)據(jù)的算術和邏輯運算以及移位等操作，是計算機中的信息加工部件。,運算器,控制器是整個系統(tǒng)的指揮部件，它的任務是從內存中取出指令加以分析，然后發(fā)出控制信號執(zhí)行某種操作。控制器根據(jù)程序指揮系統(tǒng)工作，以完成程序所規(guī)定的任務。,在電子計算機中，運算器和控制器是計算機的核心，和起來稱為中央處理單

5、元（Centra Processing Unit:CPU）,在微型計算機中，通常是將運算器和控制器以及數(shù)量不等的寄存器做成一個獨立部件，用一片VLSI實現(xiàn)，稱為微處理器（MP）。,控制器,微處理器的功能和組成,功能 運算器 控制器 寄存器,微處理器的基本功能：,微處理器,1進行算術和邏輯運算(ALU) 2具有接收存儲器和I/O接口來的數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)到存儲器和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能對指令進行寄存，譯碼并執(zhí)行指令所規(guī)定的操作 5能提供整個系統(tǒng)所需的定時和控制信號 6可響應I/O設備發(fā)出的中斷請求,微處理器的組成部分：,運算器（算術邏輯單元ALU）

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

7、）：保存下一條要執(zhí)行的指令的地址，即由它提供一個存貯器地址，按此地址從對應存儲器單元取出的內容，就是要執(zhí)行的指令。一般程序是順序存放在存儲器內的，每取出一個存儲單元的指令，PC的內容自動加1，指向下一個存儲單元；要實現(xiàn)程序的轉移，就要改變程序計數(shù)器的內容。,指令寄存器：保存從存儲器中讀入的當前要執(zhí)行的指令。 指令譯碼器：對指令寄存器中保存的指令進行譯碼，確定要執(zhí)行的操作。 時序部件：產(chǎn)生微機各部件所需的定時信號，以保證各部件有條不紊的進行信息傳送、加工和存儲等操作，它由時鐘系統(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、節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生的節(jié)拍信號以及外部的狀態(tài)信號，發(fā)出一系列的控制信號，完

8、成指令的操作。,工作寄存器：各種CPU的內部都包含數(shù)量不等的寄存器，用于暫存尋址和計算過程的信息。由于CPU內部的寄存器的存取速度遠比存儲器快，所以，寄存器用于暫時存放程序重復使用的數(shù)據(jù)、變量和中間結果。 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：內部總線分為內部數(shù)據(jù)總線和地址總線，它們分別通過數(shù)據(jù)緩沖器和地址緩沖器與芯片外的系統(tǒng)總線相連。緩沖器用來暫時存放信息(數(shù)據(jù)或地址)，它具有驅動放大能力。,計算機的記憶部件，它存儲控制計算機操作的命令信息（指令）和被處理加工的信息（數(shù)據(jù)），也存儲加工的中間結果和最終結果。,。,存儲器（memory）,存貯器的分類：,按和CPU的關系

9、：內存、外存、高速緩沖存儲器,按存放數(shù)據(jù)的性質：可分為隨機存儲器RAM(Radom Access Memory)和只讀存儲器ROM(Read Only Memory)。,存儲器系統(tǒng)的性能指標：容量、速度和成本,存儲容量是存儲器系統(tǒng)的首要性能指標，因為存儲容量越大，則系統(tǒng)能夠保存的信息量就越多，相應計算機系統(tǒng)的功能就越強；,存儲器的存取速度直接決定了整個微機系統(tǒng)的運行速度，因此，存取速度也是存儲器系統(tǒng)的重要的性能指標；超高速：小于20 ns，中速：在100200 ns之間，低速：在300 ns以上。,存儲器的成本也是存儲器系統(tǒng)的重要性能指標。,為了在存儲器系統(tǒng)中兼顧以上三個方面的指標，目前在計算

10、機系統(tǒng)中通常采用三級存儲器結構，即使用高速緩沖存儲器、主存儲器和輔助存儲器，由這三者構成一個統(tǒng)一的存儲系統(tǒng)。,1K=210=1024, 1M=220 1G=230, 1T=240,位（bit）、字節(jié)(Byte)、字（word）,微型計算機的存儲容量通常都是以字節(jié)為單位表示的。,接口電路：泛指任何兩個系統(tǒng)之間的交接部分。在計算機系統(tǒng)里， 接口指微機 (或CPU) 與外部設備之間的連接通道及有關的控制電路。 接口的功能：作用是進行速度匹配、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)設備又稱外設，通過I/O接口與CPU相連，它是計算機與外部世界聯(lián)系的橋梁。輸入設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換成計算機能夠直接識別和接受的電信號表示的二進制代碼并送到計算機中；輸出設備及其接口的作用是將計算機處理的中間結果和最終結果以人們能夠識別的字符，圖形、圖像、聲音等形式輸出，供用戶分析