清华大学微机原理-微型计算机的基本工作原理

1、12007. 6. 13微型计算机原理及应用22 23 3微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构微型计算机的常用术语微型计算机的常用术语1 1微型计算机的工作原理微型计算机的工作原理3l位位(bit)(bit)计算机所能表示的最基本、计算机所能表示的最基本、最小最小的数的数据单元。据单元。1 1个二进制位有两种状态个二进制位有两种状态“0”0”和和“1”1” l字字(word) (word) 计算机内部进行数据处理的计算机内部进行数据处理的基本单基本单位位，与寄存器、，与寄存器、ALUALU宽度一致每一个字所包含的二宽度一致每一个字所包含的二进制位数称为字长进制位数称为字长l字节字节(byt

2、e) 8(byte) 8个个BitBit组成一个字节组成一个字节, ,存放相邻存放相邻的的8 8位二制数位二制数. .字节的长度固定字节的长度固定l指令指令(instruction) (instruction) l程序程序(program)(program)l指令系统指令系统(instruction set)(instruction set)1 1 微型计算机常用的术语微型计算机常用的术语42 2 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构 微型计算机的基本组成如图所示：微型计算机的基本组成如图所示： 5CPUCPU是微机的核心部件是微机的核心部件, ,具有运算和控制功能具有运算和控制功能组成：

3、组成：l算术逻辑单元算术逻辑单元ALU(arithmetic logic unit) ALU(arithmetic logic unit) l寄存器寄存器(register)(register)组组 l控制器控制器(control unit) (control unit) 2.1 CPU2.1 CPU6 总线是把计算机各部分有机地连接起来的一组并总线是把计算机各部分有机地连接起来的一组并行导线，是各个部分之间进行信息交换的公共通道行导线，是各个部分之间进行信息交换的公共通道微机的三总线：微机的三总线：l数据总线数据总线DBDB 在在CPUCPU与存储器和与存储器和CPUCPU与与I/OI/O接

4、口之间双向传送接口之间双向传送数数据据. .其条数决定了每一次能同时传送的二进制数其条数决定了每一次能同时传送的二进制数的位数。的位数。如：如：80888088的数据总线为的数据总线为8 8条，一次能够条，一次能够传送传送8 8位二进制数，用位二进制数，用D7D7D0D0表示表示2.2 2.2 总线总线7l地址总线地址总线ABAB 传送传送CPUCPU发出的发出的地址地址，以寻址存储单元或，以寻址存储单元或I/OI/O端口。端口。ABAB的宽度决定了计算机系统能够使用的最大的存的宽度决定了计算机系统能够使用的最大的存储器容量。储器容量。如：地址总线为如：地址总线为2020条，用条，用A19A1

5、9A0A0表示，表示，可寻址可寻址2 22020=1M=1M的存储空间的存储空间l控制总线控制总线CBCB 向计算机系统的各部件发送向计算机系统的各部件发送操作命令和定时信息。操作命令和定时信息。带有上横线的表示低电平有效带有上横线的表示低电平有效, ,无上横线的表示高无上横线的表示高电平有效电平有效 如：如：ALE(address latch enable)ALE(address latch enable)、INTRINTR高电平有高电平有效，效，MEMWMEMW、MEMRMEMR、IORIOR、IOWIOW、INTAINTA低电平有效低电平有效82.3 2.3 存储器存储器(memory)

6、(memory)1. 1. 存储器单元的地址和内容存储器单元的地址和内容 92. 2. 存储器的分类存储器的分类 存储器分为内部存储器和外部存储器两大类，分别存储器分为内部存储器和外部存储器两大类，分别简称为内存和外存，外存也叫辅存，内存也叫主存。简称为内存和外存，外存也叫辅存，内存也叫主存。程序和数据以文件的形式保存在外存中，要执行的程程序和数据以文件的形式保存在外存中，要执行的程序和要使用的数据必须事先调入内存。为了加快序和要使用的数据必须事先调入内存。为了加快CPUCPU访访问内存的速度，从而提高程序的运行速度，在内存和问内存的速度，从而提高程序的运行速度，在内存和CPUCPU之间或者之

7、间或者CPUCPU内部增加了存取速度较高的高速缓冲内部增加了存取速度较高的高速缓冲存储器，即存储器，即cachecache。为了扩充内存容量，还将外存作为。为了扩充内存容量，还将外存作为内存的辅助，给用户提供比内存大得多的逻辑存储容内存的辅助，给用户提供比内存大得多的逻辑存储容量，这就是所谓的量，这就是所谓的“虚拟存储器虚拟存储器”。10虚拟存储器虚拟存储器 人们通常所指的内存是由人们通常所指的内存是由“内存条内存条”组成的物理组成的物理存储器，物理存储器是由地址总线直接访问的存储空存储器，物理存储器是由地址总线直接访问的存储空间，其地址称为物理地址。显然，地址总线的条数决间，其地址称为物理地

8、址。显然，地址总线的条数决定了物理存储器即内存的最大容量。定了物理存储器即内存的最大容量。11 虚拟存储器是相对物理存储器而言的，虚拟存储虚拟存储器是相对物理存储器而言的，虚拟存储器是指程序使用的逻辑存储空间，它可以比物理存储器是指程序使用的逻辑存储空间，它可以比物理存储空间大得多。虚拟存储器由内存、辅存和管理部件共空间大得多。虚拟存储器由内存、辅存和管理部件共同组建。通过管理软件达到内存和辅存密切配合，使同组建。通过管理软件达到内存和辅存密切配合，使整个存储系统的速度接近内存、容量接近辅存。当应整个存储系统的速度接近内存、容量接近辅存。当应用程序访问虚拟存储器时，必须给出虚拟地址即逻辑用程序

9、访问虚拟存储器时，必须给出虚拟地址即逻辑地址，在此过程中，先通过硬件和软件找出逻辑地址地址，在此过程中，先通过硬件和软件找出逻辑地址到物理地址之间的对应关系，判断要访问的是否已装到物理地址之间的对应关系，判断要访问的是否已装入内存，如已装入则直接访问内存，否则，相应的硬入内存，如已装入则直接访问内存，否则，相应的硬件和管理软件会将要访问的有关数据块从辅存调入内件和管理软件会将要访问的有关数据块从辅存调入内存，与此同时将内存中原有的暂时不使用的某数据块存，与此同时将内存中原有的暂时不使用的某数据块调回辅存，并且将虚拟地址转变为物理地址。调回辅存，并且将虚拟地址转变为物理地址。12高速缓冲存储器高

10、速缓冲存储器 高速缓冲存储器即高速缓存高速缓冲存储器即高速缓存CacheCache是使用速度与是使用速度与CPUCPU相当的静态随机读相当的静态随机读/ /写存储器芯片组成的小容量存写存储器芯片组成的小容量存储器，用来存放微处理器最近要用的指令和数据。储器，用来存放微处理器最近要用的指令和数据。 CacheCache中的内容其实是内存中一小部分内容的复中的内容其实是内存中一小部分内容的复制品，内存中经常被微处理器使用到的一部分内容要制品，内存中经常被微处理器使用到的一部分内容要烤页到烤页到CacheCache中，并不断地更新中，并不断地更新CacheCache中的内容，使得中的内容，使得Cac

11、heCache中总是保存有最近经常被微处理器使用的一部中总是保存有最近经常被微处理器使用的一部分内容。分内容。13CacheCache中存放的内容除了内存中的指令和数据外，还要中存放的内容除了内存中的指令和数据外，还要存放这些指令和数据在内存中的对应地址。当微处理存放这些指令和数据在内存中的对应地址。当微处理器存取指令和数据时，器存取指令和数据时，CacheCache截取微处理器送出的地截取微处理器送出的地址，并判别这个地址与址，并判别这个地址与CacheCache中保存的地址是否相同中保存的地址是否相同。若相同，则从。若相同，则从CacheCache中存取该地址中的指令或数据中存取该地址中的

12、指令或数据；否则就从内存中存取。；否则就从内存中存取。143. 3. 存储器的操作存储器的操作 CPU CPU对存储器的操作有读和写两种，读操作是对存储器的操作有读和写两种，读操作是CPUCPU将存储单元的信息取到将存储单元的信息取到CPUCPU内部，而写操作是内部，而写操作是CPUCPU将其内部的信息传送到存储单元保存。写操作要改将其内部的信息传送到存储单元保存。写操作要改变被写存储单元的内容，而读操作则不改变被读存变被写存储单元的内容，而读操作则不改变被读存储单元的内容。向存储单元存放或取出信息，都称储单元的内容。向存储单元存放或取出信息，都称为访问存储器。访问存储器时，先由地址译码器将为

13、访问存储器。访问存储器时，先由地址译码器将送来的单元地址进行译码，找到相应的存储单元；送来的单元地址进行译码，找到相应的存储单元；再由读写控制电路，根据送来的读或写命令确定访再由读写控制电路，根据送来的读或写命令确定访问存储器的方式，完成读出问存储器的方式，完成读出( (读读) )或写入或写入( (写写) )操作。操作。15外部设备通过总线插座和接口与计算机连接。设置接外部设备通过总线插座和接口与计算机连接。设置接口的主要原因口的主要原因 l外设的工作速度远低于外设的工作速度远低于CPUCPU的速度的速度l外设表示信息的格式与计算机不同外设表示信息的格式与计算机不同l接口向计算机报告设备的状态

14、接口向计算机报告设备的状态, ,传达计算机命令等传达计算机命令等2.4 2.4 总线插座和接口总线插座和接口162.5 2.5 I/O设备l输入设备：键盘、模数转换器、扫描仪等输入设备：键盘、模数转换器、扫描仪等l输出设备：显示器、打印机、绘图机等输出设备：显示器、打印机、绘图机等 l输入输入/ /输出设备：磁盘和光盘等输出设备：磁盘和光盘等173 3 计算机的工作原理计算机的工作原理 CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口、外部设备构成了计算机的接口、外部设备构成了计算机的硬件硬件(hardware)(hardware)，光有这样的硬件还只是具有了计算的，光有这样的硬件还只是具有了计算的可能。计算机要真正能够进行计算还必须有多种程序的可能。计算机要真正能够进行计算还必须有多种程序的配合。配合。 当人们要解决问题时当人们