微電子與電路基礎(chǔ)作業(yè)一

1、微電子與電路基礎(chǔ)作業(yè)一：個(gè)人計(jì)算機(jī)的原理與組成信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院11級本科生 倪焱學(xué)號1100012727摘要：本文主要講述個(gè)人計(jì)算機(jī)的原理與組成，其中重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)控制器及與之相關(guān)的存儲器原理與組成。計(jì)算機(jī)的原理與信息表示：眾所周知，計(jì)算機(jī)是用二進(jìn)制來表示信息的，8個(gè)二進(jìn)制位為一個(gè)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(jìn)制位的信息既可以被解釋成為整形（int）、字符（char）、浮點(diǎn)數(shù)（float）等編程中的基礎(chǔ)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(jìn)制，是因?yàn)槎M(jìn)制可以較好地對應(yīng)物理當(dāng)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(shí)通過一系列的邏輯電路（高中學(xué)過的與、或、非門電路是最基礎(chǔ)的典型）來改變這些電容的狀態(tài)，從而達(dá)到改變信息的目的，如下圖所示：計(jì)算機(jī)的基本組成：計(jì)算機(jī)的組成，從邏輯上講，只有控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備四種，而今天的個(gè)人計(jì)算機(jī)組成已經(jīng)十分復(fù)雜，控制功能已不再單獨(dú)集成于CPU上?？偟膩碚f，個(gè)人計(jì)算機(jī)通過總線將控制器與存儲器及其它外置設(shè)備連接到一起（而我們通常所說的32位機(jī)64位機(jī)則是指總線一次能夠傳輸?shù)亩M(jìn)制位的個(gè)數(shù)）：根據(jù)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，程序被存儲在存儲器當(dāng)中。事實(shí)上計(jì)算機(jī)的電源一經(jīng)接通，就開始執(zhí)行存儲在CMOS芯片當(dāng)中的指令，該芯片保存了實(shí)

3、時(shí)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)以及用戶設(shè)定的某些參數(shù)，進(jìn)而引導(dǎo)計(jì)算機(jī)進(jìn)入操作系統(tǒng)當(dāng)中。此后根據(jù)已經(jīng)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(dāng)中的信息做出改變。同時(shí)通過各種外圍輸出設(shè)備及其接口來將二進(jìn)制的信息轉(zhuǎn)化成人類可以直觀理解的信息。然而，計(jì)算機(jī)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(shè)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(dá)到GHz的水平，而像鼠標(biāo)鍵盤打印機(jī)這樣的外圍設(shè)備則慢了不止一個(gè)數(shù)量級），為了解決計(jì)算機(jī)各個(gè)部件處理信息速度不一樣造成計(jì)算資源浪費(fèi)的問題，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者們提出了緩存（cache）的思想：比如

4、在打印機(jī)的接口加入一個(gè)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(jī)緩慢輸出要打印的數(shù)據(jù)。這方面最典型的實(shí)例就是CPU高速緩存內(nèi)存磁盤的處理器存儲器結(jié)構(gòu)。在運(yùn)行程序的時(shí)候，先將磁盤中的指令和已經(jīng)保存的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存當(dāng)中；在程序執(zhí)行的同時(shí)，再將近期經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)加載到高速緩存當(dāng)中供CPU使用，一般來說這些存儲器的存取速度和單位價(jià)格是反相關(guān)的，磁盤價(jià)格最低，存取速度最慢，CPU寄存器的價(jià)格最高，存取速度也最快。這樣的結(jié)構(gòu)能使計(jì)算機(jī)當(dāng)中的計(jì)算資源能夠得到最大化地利用。事實(shí)上為了提高計(jì)算性能，現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)的高速緩存已經(jīng)做到了三層。中央處理器（CPU）的組成結(jié)構(gòu)：中央處理器（

5、Central Process Unit,CPU）通常由寄存器、運(yùn)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(jì)算的處理器：其中ALU（算術(shù)邏輯部件）就是通常所說的運(yùn)算器；寄存器負(fù)責(zé)存儲-讀取數(shù)據(jù)（如前所述，其存儲數(shù)據(jù)的速度是計(jì)算機(jī)所有存儲設(shè)備中最快的）；控制器則負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)的傳輸。CPU本質(zhì)上是對指令的執(zhí)行設(shè)備。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)（時(shí)鐘周期是指裝載在CPU內(nèi)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(dāng)前指令位置，讓RAM（隨機(jī)存儲器，一般是內(nèi)存或高速緩存）把指令取出送給它，程序控制器對指令內(nèi)容進(jìn)行“解釋”，按照CPU的規(guī)定，弄清指令應(yīng)該完成的運(yùn)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(dāng)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(dāng)中取出的數(shù)會直接參與運(yùn)算，或者不參與運(yùn)算而直接存儲到寄存器組內(nèi)。3. 根據(jù)指令，指揮ALU進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果存于寄存器組內(nèi)，寄存器組的數(shù)也可以轉(zhuǎn)存到主存儲器。4. 處理中斷。檢測是否存在要求暫時(shí)中斷程序正常執(zhí)行的異常信號，必要時(shí)轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)器根據(jù)指令當(dāng)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(jié)：本文僅僅是對計(jì)算機(jī)組