清華大學(xué)微機原理-微型計算機的基本工作原理

1、12007. 6. 13微型計算機原理及應(yīng)用22 23 3微型計算機的基本結(jié)構(gòu)微型計算機的基本結(jié)構(gòu)微型計算機的常用術(shù)語微型計算機的常用術(shù)語1 1微型計算機的工作原理微型計算機的工作原理3l位位(bit)(bit)計算機所能表示的最基本、計算機所能表示的最基本、最小最小的數(shù)的數(shù)據(jù)單元。據(jù)單元。1 1個二進制位有兩種狀態(tài)個二進制位有兩種狀態(tài)“0”0”和和“1”1” l字字(word) (word) 計算機內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理的計算機內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理的基本單基本單位位，與寄存器、，與寄存器、ALUALU寬度一致每一個字所包含的二寬度一致每一個字所包含的二進制位數(shù)稱為字長進制位數(shù)稱為字長l字節(jié)字節(jié)(byt

2、e) 8(byte) 8個個BitBit組成一個字節(jié)組成一個字節(jié), ,存放相鄰存放相鄰的的8 8位二制數(shù)位二制數(shù). .字節(jié)的長度固定字節(jié)的長度固定l指令指令(instruction) (instruction) l程序程序(program)(program)l指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)(instruction set)(instruction set)1 1 微型計算機常用的術(shù)語微型計算機常用的術(shù)語42 2 微型計算機的基本結(jié)構(gòu)微型計算機的基本結(jié)構(gòu) 微型計算機的基本組成如圖所示：微型計算機的基本組成如圖所示： 5CPUCPU是微機的核心部件是微機的核心部件, ,具有運算和控制功能具有運算和控制功能組成：

3、組成：l算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALU(arithmetic logic unit) ALU(arithmetic logic unit) l寄存器寄存器(register)(register)組組 l控制器控制器(control unit) (control unit) 2.1 CPU2.1 CPU6 總線是把計算機各部分有機地連接起來的一組并總線是把計算機各部分有機地連接起來的一組并行導(dǎo)線，是各個部分之間進行信息交換的公共通道行導(dǎo)線，是各個部分之間進行信息交換的公共通道微機的三總線：微機的三總線：l數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBDB 在在CPUCPU與存儲器和與存儲器和CPUCPU與與I/OI/O接

4、口之間雙向傳送接口之間雙向傳送數(shù)數(shù)據(jù)據(jù). .其條數(shù)決定了每一次能同時傳送的二進制數(shù)其條數(shù)決定了每一次能同時傳送的二進制數(shù)的位數(shù)。的位數(shù)。如：如：80888088的數(shù)據(jù)總線為的數(shù)據(jù)總線為8 8條，一次能夠條，一次能夠傳送傳送8 8位二進制數(shù)，用位二進制數(shù)，用D7D7D0D0表示表示2.2 2.2 總線總線7l地址總線地址總線ABAB 傳送傳送CPUCPU發(fā)出的發(fā)出的地址地址，以尋址存儲單元或，以尋址存儲單元或I/OI/O端口。端口。ABAB的寬度決定了計算機系統(tǒng)能夠使用的最大的存的寬度決定了計算機系統(tǒng)能夠使用的最大的存儲器容量。儲器容量。如：地址總線為如：地址總線為2020條，用條，用A19A1

5、9A0A0表示，表示，可尋址可尋址2 22020=1M=1M的存儲空間的存儲空間l控制總線控制總線CBCB 向計算機系統(tǒng)的各部件發(fā)送向計算機系統(tǒng)的各部件發(fā)送操作命令和定時信息。操作命令和定時信息。帶有上橫線的表示低電平有效帶有上橫線的表示低電平有效, ,無上橫線的表示高無上橫線的表示高電平有效電平有效 如：如：ALE(address latch enable)ALE(address latch enable)、INTRINTR高電平有高電平有效，效，MEMWMEMW、MEMRMEMR、IORIOR、IOWIOW、INTAINTA低電平有效低電平有效82.3 2.3 存儲器存儲器(memory)

6、(memory)1. 1. 存儲器單元的地址和內(nèi)容存儲器單元的地址和內(nèi)容 92. 2. 存儲器的分類存儲器的分類 存儲器分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器兩大類，分別存儲器分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器兩大類，分別簡稱為內(nèi)存和外存，外存也叫輔存，內(nèi)存也叫主存。簡稱為內(nèi)存和外存，外存也叫輔存，內(nèi)存也叫主存。程序和數(shù)據(jù)以文件的形式保存在外存中，要執(zhí)行的程程序和數(shù)據(jù)以文件的形式保存在外存中，要執(zhí)行的程序和要使用的數(shù)據(jù)必須事先調(diào)入內(nèi)存。為了加快序和要使用的數(shù)據(jù)必須事先調(diào)入內(nèi)存。為了加快CPUCPU訪訪問內(nèi)存的速度，從而提高程序的運行速度，在內(nèi)存和問內(nèi)存的速度，從而提高程序的運行速度，在內(nèi)存和CPUCPU之間或者之

7、間或者CPUCPU內(nèi)部增加了存取速度較高的高速緩沖內(nèi)部增加了存取速度較高的高速緩沖存儲器，即存儲器，即cachecache。為了擴充內(nèi)存容量，還將外存作為。為了擴充內(nèi)存容量，還將外存作為內(nèi)存的輔助，給用戶提供比內(nèi)存大得多的邏輯存儲容內(nèi)存的輔助，給用戶提供比內(nèi)存大得多的邏輯存儲容量，這就是所謂的量，這就是所謂的“虛擬存儲器虛擬存儲器”。10虛擬存儲器虛擬存儲器 人們通常所指的內(nèi)存是由人們通常所指的內(nèi)存是由“內(nèi)存條內(nèi)存條”組成的物理組成的物理存儲器，物理存儲器是由地址總線直接訪問的存儲空存儲器，物理存儲器是由地址總線直接訪問的存儲空間，其地址稱為物理地址。顯然，地址總線的條數(shù)決間，其地址稱為物理地

8、址。顯然，地址總線的條數(shù)決定了物理存儲器即內(nèi)存的最大容量。定了物理存儲器即內(nèi)存的最大容量。11 虛擬存儲器是相對物理存儲器而言的，虛擬存儲虛擬存儲器是相對物理存儲器而言的，虛擬存儲器是指程序使用的邏輯存儲空間，它可以比物理存儲器是指程序使用的邏輯存儲空間，它可以比物理存儲空間大得多。虛擬存儲器由內(nèi)存、輔存和管理部件共空間大得多。虛擬存儲器由內(nèi)存、輔存和管理部件共同組建。通過管理軟件達到內(nèi)存和輔存密切配合，使同組建。通過管理軟件達到內(nèi)存和輔存密切配合，使整個存儲系統(tǒng)的速度接近內(nèi)存、容量接近輔存。當(dāng)應(yīng)整個存儲系統(tǒng)的速度接近內(nèi)存、容量接近輔存。當(dāng)應(yīng)用程序訪問虛擬存儲器時，必須給出虛擬地址即邏輯用程序

9、訪問虛擬存儲器時，必須給出虛擬地址即邏輯地址，在此過程中，先通過硬件和軟件找出邏輯地址地址，在此過程中，先通過硬件和軟件找出邏輯地址到物理地址之間的對應(yīng)關(guān)系，判斷要訪問的是否已裝到物理地址之間的對應(yīng)關(guān)系，判斷要訪問的是否已裝入內(nèi)存，如已裝入則直接訪問內(nèi)存，否則，相應(yīng)的硬入內(nèi)存，如已裝入則直接訪問內(nèi)存，否則，相應(yīng)的硬件和管理軟件會將要訪問的有關(guān)數(shù)據(jù)塊從輔存調(diào)入內(nèi)件和管理軟件會將要訪問的有關(guān)數(shù)據(jù)塊從輔存調(diào)入內(nèi)存，與此同時將內(nèi)存中原有的暫時不使用的某數(shù)據(jù)塊存，與此同時將內(nèi)存中原有的暫時不使用的某數(shù)據(jù)塊調(diào)回輔存，并且將虛擬地址轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢淼刂?。調(diào)回輔存，并且將虛擬地址轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢淼刂贰?2高速緩沖存儲器高

10、速緩沖存儲器 高速緩沖存儲器即高速緩存高速緩沖存儲器即高速緩存CacheCache是使用速度與是使用速度與CPUCPU相當(dāng)?shù)撵o態(tài)隨機讀相當(dāng)?shù)撵o態(tài)隨機讀/ /寫存儲器芯片組成的小容量存寫存儲器芯片組成的小容量存儲器，用來存放微處理器最近要用的指令和數(shù)據(jù)。儲器，用來存放微處理器最近要用的指令和數(shù)據(jù)。 CacheCache中的內(nèi)容其實是內(nèi)存中一小部分內(nèi)容的復(fù)中的內(nèi)容其實是內(nèi)存中一小部分內(nèi)容的復(fù)制品，內(nèi)存中經(jīng)常被微處理器使用到的一部分內(nèi)容要制品，內(nèi)存中經(jīng)常被微處理器使用到的一部分內(nèi)容要烤頁到烤頁到CacheCache中，并不斷地更新中，并不斷地更新CacheCache中的內(nèi)容，使得中的內(nèi)容，使得Cac

11、heCache中總是保存有最近經(jīng)常被微處理器使用的一部中總是保存有最近經(jīng)常被微處理器使用的一部分內(nèi)容。分內(nèi)容。13CacheCache中存放的內(nèi)容除了內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)外，還要中存放的內(nèi)容除了內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)外，還要存放這些指令和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的對應(yīng)地址。當(dāng)微處理存放這些指令和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的對應(yīng)地址。當(dāng)微處理器存取指令和數(shù)據(jù)時，器存取指令和數(shù)據(jù)時，CacheCache截取微處理器送出的地截取微處理器送出的地址，并判別這個地址與址，并判別這個地址與CacheCache中保存的地址是否相同中保存的地址是否相同。若相同，則從。若相同，則從CacheCache中存取該地址中的指令或數(shù)據(jù)中存取該地址中的

12、指令或數(shù)據(jù)；否則就從內(nèi)存中存取。；否則就從內(nèi)存中存取。143. 3. 存儲器的操作存儲器的操作 CPU CPU對存儲器的操作有讀和寫兩種，讀操作是對存儲器的操作有讀和寫兩種，讀操作是CPUCPU將存儲單元的信息取到將存儲單元的信息取到CPUCPU內(nèi)部，而寫操作是內(nèi)部，而寫操作是CPUCPU將其內(nèi)部的信息傳送到存儲單元保存。寫操作要改將其內(nèi)部的信息傳送到存儲單元保存。寫操作要改變被寫存儲單元的內(nèi)容，而讀操作則不改變被讀存變被寫存儲單元的內(nèi)容，而讀操作則不改變被讀存儲單元的內(nèi)容。向存儲單元存放或取出信息，都稱儲單元的內(nèi)容。向存儲單元存放或取出信息，都稱為訪問存儲器。訪問存儲器時，先由地址譯碼器將為

13、訪問存儲器。訪問存儲器時，先由地址譯碼器將送來的單元地址進行譯碼，找到相應(yīng)的存儲單元；送來的單元地址進行譯碼，找到相應(yīng)的存儲單元；再由讀寫控制電路，根據(jù)送來的讀或?qū)懨畲_定訪再由讀寫控制電路，根據(jù)送來的讀或?qū)懨畲_定訪問存儲器的方式，完成讀出問存儲器的方式，完成讀出( (讀讀) )或?qū)懭牖驅(qū)懭? (寫寫) )操作。操作。15外部設(shè)備通過總線插座和接口與計算機連接。設(shè)置接外部設(shè)備通過總線插座和接口與計算機連接。設(shè)置接口的主要原因口的主要原因 l外設(shè)的工作速度遠低于外設(shè)的工作速度遠低于CPUCPU的速度的速度l外設(shè)表示信息的格式與計算機不同外設(shè)表示信息的格式與計算機不同l接口向計算機報告設(shè)備的狀態(tài)

14、接口向計算機報告設(shè)備的狀態(tài), ,傳達計算機命令等傳達計算機命令等2.4 2.4 總線插座和接口總線插座和接口162.5 2.5 I/O設(shè)備l輸入設(shè)備：鍵盤、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、掃描儀等輸入設(shè)備：鍵盤、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、掃描儀等l輸出設(shè)備：顯示器、打印機、繪圖機等輸出設(shè)備：顯示器、打印機、繪圖機等 l輸入輸入/ /輸出設(shè)備：磁盤和光盤等輸出設(shè)備：磁盤和光盤等173 3 計算機的工作原理計算機的工作原理 CPUCPU、存儲器、存儲器、I/OI/O接口、外部設(shè)備構(gòu)成了計算機的接口、外部設(shè)備構(gòu)成了計算機的硬件硬件(hardware)(hardware)，光有這樣的硬件還只是具有了計算的，光有這樣的硬件還只是具有了計算的可能。計算機要真正能夠進行計算還必須有多種程序的可能。計算機要真正能夠進行計算還必須有多種程序的配合。配合。 當(dāng)人們要解決問題時當(dāng)人們