微机原理3_计算机一般原理

1、第三章第三章 微型计算机一般原理微型计算机一般原理计算机计算机程序、数据程序、数据结果结果3.1.1 冯冯.诺依曼结构原理：诺依曼结构原理：1、计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输、计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成；出设备五部分组成；2、程序和数据以二进制形式不加区分地依次存放在存、程序和数据以二进制形式不加区分地依次存放在存储器中，存放位置由地址确定；储器中，存放位置由地址确定；3、控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）、控制器根据存放在存储器中的指令序列（即程序）工作，并由一个程序计数器（工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。）控制指令的

2、执行。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程。作流程。3.1 3.1 计算机系统组成原理计算机系统组成原理计算机计算机程序、数据程序、数据结果结果3.1 3.1 计算机系统组成原理计算机系统组成原理计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 用户程序用户程序O.S、语言处理程序、软件资源、语言处理程序、软件资源机器语言程序、汇编语言程序机器语言程序、汇编语言程序 CPU、M、I/O、系统结构、系统结构硬件级硬件级机器指令级机器指令级操作系统级操作系统级高级语言级高级语言级硬、软件的功能分配硬、软件的功能分配功能分配与设计目标、技术条

3、件有关。功能分配与设计目标、技术条件有关。硬件软化硬件软化：软件完成较复杂功能，以降低硬件开：软件完成较复杂功能，以降低硬件开销。销。软件硬化：软件硬化：硬件完成较复杂功能，以提高处理速硬件完成较复杂功能，以提高处理速度。度。软件固化：软件固化：运行微程序实现较复杂功能，以提高运行微程序实现较复杂功能，以提高性价比。性价比。微型计算机的硬件系统组成示意图输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备控制器控制器运算器运算器CPU数据路径数据路径控制路径控制路径冯冯. .诺依曼结构的硬件系统诺依曼结构的硬件系统硬件硬件 由由电子线路、元器件和机械部分等构成的具体装电子线路、元器件和机械部分等构成的

4、具体装置，置，由五个基本部件构成。由五个基本部件构成。一、一、 运算器运算器(ALU)(ALU) 进行算术运算、逻辑运算的部件。进行算术运算、逻辑运算的部件。可以进行加、减、乘、除等算术运算；还可以进行与、可以进行加、减、乘、除等算术运算；还可以进行与、或、非、异或等逻辑运算。或、非、异或等逻辑运算。二、二、 控制器控制器(CU) (CU) 依据程序指令，产生一系列控制脉冲依据程序指令，产生一系列控制脉冲和信号，指挥和协调整个计算机系统一步步地自动运行完和信号，指挥和协调整个计算机系统一步步地自动运行完成既定功能。控制器是计算机的成既定功能。控制器是计算机的“神经中枢神经中枢”。 运算器和控制

5、器二者合起来称为运算器和控制器二者合起来称为CPU（中央处理器（中央处理器Central Processing Unit) 。 计算机系统由硬件和软件两部分组成，缺一不可。计算机系统由硬件和软件两部分组成，缺一不可。CPU功能 算术逻辑运算 指令译码、执行 数据暂存 与MEM、I/O交换数据 提供整个系统所需的定时和控制 响应中断请求移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器运算器运算器（1）功能：加工信息。）功能：加工信息。（2）组成：）组成：移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 通用寄存器组：提供操作数，存通用寄存器组：提供操作数，存放运算结果。放

6、运算结果。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 选择器：选择操作数；选择控制条选择器：选择操作数；选择控制条件，实现各种算法。件，实现各种算法。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 ALU: ALU: 算数逻辑运算单元，通过加算数逻辑运算单元，通过加法器实现运算操作（由全加器求和、法器实现运算操作（由全加器求和、由进位链传递进位信号）。由进位链传递进位信号）。移位器移位器ALUALU选择器通用寄存器组通用寄存器组选择器 移位器：直接或者移位送移位器：直接或者移位送出运算结果。出运算结果。微命令发生器微命令发生器指令信息指令信息状态信息状态信息时序

7、信号时序信号微命令序列微命令序列逻辑条件逻辑条件时间条件时间条件控制器控制器（1）功能：产生控制命令）功能：产生控制命令(微命令微命令)，控制全机操作。，控制全机操作。（2）组成：）组成：微命令产生方式（指令执行控制方式）：微命令产生方式（指令执行控制方式）：组合逻辑控制方式：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电由组合逻辑电 路产生路产生微命令微命令由微指令产生微命令由微指令产生微命令三、三、存储器存储器(Memory) 是用来保存和记忆原始题目、原是用来保存和记忆原始题目、原始数据、运算的中间结果、最后结果，以及为了使机器始数据、运算的中间结果、最后结果，以及为了使

8、机器能自动进行运算而编制的各种命令（程序）的记忆装置能自动进行运算而编制的各种命令（程序）的记忆装置。存储器通常分为：存储器通常分为： 内存储器内存储器(主存储器主存储器) 可直接与可直接与CPU交换信息交换信息 外存储器外存储器(辅助存储器辅助存储器) 不可直接与不可直接与CPU交换信息交换信息CPU与内存合起来称为主机与内存合起来称为主机存储体存储体地址寄存器地址寄存器译码器译码器读读/ /写线路写线路数据寄存器数据寄存器控制线路控制线路存储器存储器（1）功能）功能: 存储信息。存储信息。（2）组成（主存储器）：）组成（主存储器）：1) 存储体存储体: 存放信息的实体。存放信息的实体。2）

9、寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。）寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。3）读）读/写线路和数据寄存器：完成读写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂存写操作，暂存读读/写数据。写数据。4）控制线路：产生读）控制线路：产生读/写时序，控制读写时序，控制读/写操作。写操作。四、四、 输入设备输入设备 把外部信号转变为计算机能识别的电信号把外部信号转变为计算机能识别的电信号并送给主机的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标器、并送给主机的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标器、光笔、扫描仪、触摸屏、磁盘驱动器等。光笔、扫描仪、触摸屏、磁盘驱动器等。五、五、输出设备输出设备 把计算机的计算结果或中间结果以

10、容易阅把计算机的计算结果或中间结果以容易阅读和使用的形式表示出来。常用的输出设备有屏幕、打读和使用的形式表示出来。常用的输出设备有屏幕、打印机、绘图仪、磁盘驱动器等。印机、绘图仪、磁盘驱动器等。总总 线：总线是将计算机内各个部件连接在一起，用于线：总线是将计算机内各个部件连接在一起，用于传输同类信息的公共数据通道，采用分时共用原则工作的传输同类信息的公共数据通道，采用分时共用原则工作的部件。部件。 输入设备和输入设备和输出设备输出设备是是计算机与外部世界联系的桥计算机与外部世界联系的桥梁，统称为外部设备（梁，统称为外部设备（I/O设备设备, INPUT; OUTPUT的缩的缩写）写）输入输入/

11、输出设备输出设备功能：转换信息。功能：转换信息。 主机主机接口接口输入输入/出设备出设备输入：原始信息输入：原始信息 代码，送入主机代码，送入主机输出：处理结果输出：处理结果 人所能接受的形式，并输出人所能接受的形式，并输出（代码）（代码） 以总线为基础的系统结构以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。路。总总 线线部件部件部件部件部件部件总总 线线功能功能 内总线内总线 局部总线局部总线 系统总线系统总线 外总线外总线信息信息 地址总线地址总线 数据总线数据总线 控制总线控制总线时序时序 同步总线同步总线 异步总线异步总

12、线格式格式 并行总线并行总线 串行总线串行总线方向方向 单向总线单向总线 双向总线双向总线在计算机中，基本上有两种信息在流动，一种信息在计算机中，基本上有两种信息在流动，一种信息为数据，即各种原始数据、中间结果、程序（代码）等。为数据，即各种原始数据、中间结果、程序（代码）等。这些数据由输入设备输入至运算器，再储存于存储器中；这些数据由输入设备输入至运算器，再储存于存储器中；在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算；在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算；运算的中间结果要存入存储器中，或最后由运算器经输出运算的中间结果要存入存储器中，或最后由运算器经输出设备输出。设备输出。计

13、算机在运行过程中，人向计算机发出的各种命令计算机在运行过程中，人向计算机发出的各种命令（即程序）也以数据的形式由存储器送入控制器，再由控（即程序）也以数据的形式由存储器送入控制器，再由控制器经译码后变为各种控制信号。所以，另一种信息就是制器经译码后变为各种控制信号。所以，另一种信息就是控制命令。控制运算器按规定一步步地进行各种运算和处控制命令。控制运算器按规定一步步地进行各种运算和处理、控制存储器的读和写、控制输出设备输出结果等等。理、控制存储器的读和写、控制输出设备输出结果等等。一、微型计算机的工作过程 由于执行每由于执行每一条指令，都包一条指令，都包括括取指、译码和取指、译码和执行执行三个

14、基本步三个基本步骤，所以，微型骤，所以，微型计算机的工作过计算机的工作过程，也就是不断程，也就是不断地取指令、译码地取指令、译码和执行的过程，和执行的过程，直到遇到停机指直到遇到停机指令时才结束机器令时才结束机器的运行。的运行。取指令，P C值加1停机?译码并执行结束YN3.2 3.2 计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理二、微处理器内部结构二、微处理器内部结构数据总线数据总线指令寄存器指令寄存器操作码操作码地址码地址码-1+1指令译码指令译码控制电路控制电路堆栈指示器堆栈指示器地址寄存器地址寄存器程序计数器程序计数器地址总线地址总线内存储器内存储器. 暂存暂存寄存器寄存器累加器累加器锁存

15、器锁存器ALU标志寄存器标志寄存器累加器累加器A通用寄存器组通用寄存器组. 微处理器的一般结构：微处理器的一般结构： 1. 算术逻辑单元算术逻辑单元(ALU) 2. 内部寄存器：累加器、通用寄存器、标志寄存器内部寄存器：累加器、通用寄存器、标志寄存器. 程序计数器程序计数器. 指令寄存器指令寄存器. 指令译码器指令译码器. 堆栈指示器堆栈指示器. 时序和控制电路时序和控制电路. 微处理器内部总线：芯片总线微处理器内部总线：芯片总线(局部总线局部总线)、系统总、系统总 线线(板总线板总线)、外总线、外总线(通信总线通信总线)指令指令 计算机硬件能执行的一个基本操作命令计算机硬件能执行的一个基本操

16、作命令（让计算机完成某个操作所发出的命令）（让计算机完成某个操作所发出的命令）指令格式指令格式操作码操作码操作数操作数操作码操作码 指令的功能指令的功能（告诉计算机干什么）（告诉计算机干什么）操作数操作数 操作对象的数据或数据存放的地址操作对象的数据或数据存放的地址指令系统指令系统 某一系列计算机（微处理器）的基本指令的某一系列计算机（微处理器）的基本指令的集合，不同的计算机（微处理器）指令系统不同集合，不同的计算机（微处理器）指令系统不同程序程序 为使计算机完成某项特定任务而编写的一组有序为使计算机完成某项特定任务而编写的一组有序的指令序列的指令序列三、指令及执行三、指令及执行指令周期指令周

17、期取取指令指令指令译码指令译码计算有效计算有效地址地址取操作数取操作数执行操作执行操作取取指周期指周期执行执行周期周期指令执行过程指令执行过程: :内存内存指令指令取指周期：取指周期：执行周期：执行周期：控制信号控制信号有关部件动作有关部件动作CPU译码译码CPU程序的执行：程序的执行：CPUCPU不断地，周而复始地取指令，分析指令，执行指令。不断地，周而复始地取指令，分析指令，执行指令。四、微型计算机系统的基本硬件组成鼠标MODEM显示器显示卡微处理器总线 （ISA、EISA、VESA、PCI）软盘适配器软盘驱动器硬盘适配器硬盘驱动器RAM/ROM光盘驱动器并行接口串行接口声卡音响、话筒打印

18、机主板主机箱鼠标MODEM接 口 ROM I/O接 口接 口 RAM输入设备输出设备微 处 理 器 地址总线 ( Address Bus )数据总线 ( Data Bus )控制总线 ( Control Bus )定时器微型计算机系统的总线结构五、系统主板六、存储器分类六、存储器分类内存储器内存储器( (主存主存) ) 外存储器外存储器(辅存辅存)磁存储器磁存储器光存储器光存储器 只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)高速缓存高速缓存(Cache)(Cache) 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)(RAM)存储器存储器PROM EPROME2ROM静态静态RAM动态动态RAM磁带磁带磁盘

19、磁盘软盘软盘硬盘硬盘只读光盘只读光盘(CD-ROM)一次性写入光盘一次性写入光盘可擦写光盘可擦写光盘内存储器内存储器 功能：存放当前正在运行的程序和所需的数据功能：存放当前正在运行的程序和所需的数据 存储容量：存储器能存储的总字节数存储容量：存储器能存储的总字节数 可直接与可直接与CPUCPU交换信息交换信息 工作方式：按地址存取工作方式：按地址存取 CPU的寻址能力：由地址线的多少决定的寻址能力：由地址线的多少决定 （2N） 随机存取存储器随机存取存储器(RAM(RAM )： 存放用户程序和数据，具有易存放用户程序和数据，具有易失性（断电后失性（断电后RAMRAM中的内容全部丢失中的内容全部

20、丢失) ) 高速缓冲存储器高速缓冲存储器(Cache) 只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)：存放不变的程序和数据存放不变的程序和数据(如引导如引导程序程序、基本输入基本输入/ /输出系统输出系统BIOS)BIOS)，具有非易失性（断电后，具有非易失性（断电后ROMROM中中的内容不会丢失）。的内容不会丢失）。ROM又分为：掩模型ROM：生产厂家写入，无法更改。PROM（可编程只读存储器）EPROM：可擦除可编程只读存储器，紫外线照射可擦除E2PROM：电可擦除可编程只读存储器，可反复更换其中信息的ROM，所以被现在的微机主板ROM BIOS广泛使用。闪存：电可擦除RAM，现在的主流3.3

21、 3.3 运算器运算器3.3.1 加法器iBCi-1iASiiCBC-10A00SBii-1CAiiSiC101ACB1SBii-1CAiiSiCn-1n-2n-1ACBn-1SBii-1CAiiSiCnN-1nACBnSCnX 运算器是根据程序的指令功能，以运算器是根据程序的指令功能，以ALU算术逻辑运算算术逻辑运算单元为核心，在控制器的控制下完成算术四则运算、逻辑单元为核心，在控制器的控制下完成算术四则运算、逻辑运算及其他运算的部件。运算及其他运算的部件。3.3.2 定点加减运算XiX0XnFiF0FnYiY0Yn补码加、减运算器补码加、减运算器C0+全加器加X多路器加、减控制0加 1减送

22、结果Cn加Y原 01 反 减Y寄存器结果寄存器接收主存代码接收控制多路转换器3.3.3 溢出的产生与判断补码加补码加 64 0 0100 0000 两异号数相加两异号数相加 +（-127） + 1 1000 0001 绝对不会产生溢出绝对不会产生溢出 -63 1 1100 0001 补补 1011 1111=-63 64 0 0100 0000 + 65 + 0 0100 000 1 产生上溢出产生上溢出 129 0 1000 0001 补补 1111 1111=-127 错错 -64 1 1100 0000 +（-65） + 1 1011 1111 产生下溢出产生下溢出 -129 1 011

23、1 1111 补补 01111111 =127 错错补码加补码加 64 0 0100 0000 + 63 + 0 0011 1111 无溢出无溢出 127 0 0111 1111 补补 0111 1111 =127 对对 溢出只发生在两同号数相加，并且次高位向最溢出只发生在两同号数相加，并且次高位向最高位（符号位）有进位的情况下。这时，和的符高位（符号位）有进位的情况下。这时，和的符号位同加数与被加数的符号必然相反。号位同加数与被加数的符号必然相反。判断溢出的三种方法：判断溢出的三种方法：1、两同号数相加，若结果与相加数符号不同，则、两同号数相加，若结果与相加数符号不同，则表示发生了溢出；表示

24、发生了溢出；2、符号位的进位输入、符号位的进位输入Cn-1与进位输出与进位输出Cn不相同，则不相同，则表示发生了溢出；表示发生了溢出；3、采用双符号法。进行运算时，在加数和被加数、采用双符号法。进行运算时，在加数和被加数前再增加一位与原数相同的符号位，构成双符号前再增加一位与原数相同的符号位，构成双符号位，位，“00”表示正，表示正，“11”表示负，连双符号位表示负，连双符号位一起参与运算后，若运算结果的符号位不同，则一起参与运算后，若运算结果的符号位不同，则一定发生了溢出。一定发生了溢出。3.4 3.4 控制器控制器 控制器控制器的工作就是：的工作就是： 控制运算器和系统的其他部件不断地，周

25、而复始地控制运算器和系统的其他部件不断地，周而复始地取指令，分析指令，执行指令。取指令，分析指令，执行指令。 取指令，P C值加1停机?译码并执行结束YN 控制器根据程序（即人向计算机发出的各种命令，控制器根据程序（即人向计算机发出的各种命令，也以二进制数据的形式依次存放在存储器中），自动完也以二进制数据的形式依次存放在存储器中），自动完成将指令代码由存储器读入控制器的指令寄存器中，再成将指令代码由存储器读入控制器的指令寄存器中，再由指令寄存器经译码后变为各种时序控制信号。从而控由指令寄存器经译码后变为各种时序控制信号。从而控制运算器按既定的方式一步步地进行各种运算和处理、制运算器按既定的方式

26、一步步地进行各种运算和处理、控制存储器的读和写、控制输出设备输出结果等等。然控制存储器的读和写、控制输出设备输出结果等等。然后，控制指令计数器自动加后，控制指令计数器自动加1，给出下一条指令的存放，给出下一条指令的存放位置，启动下一个指令周期。位置，启动下一个指令周期。 这样，这样，CPU执行指令的过程，可看成是一个串行过程，执行指令的过程，可看成是一个串行过程，读读指令代码时，其他部件在等待，执行指令时，读指指令代码时，其他部件在等待，执行指令时，读指令部件又在等待令部件又在等待， CPU工作效率较低。工作效率较低。CPU执行指令的过程，可具体分为如下六个步骤：执行指令的过程，可具体分为如下

27、六个步骤：1.取指取指（fetch）；2.译码译码（decoding);3.计算有效地址计算有效地址（EA：Effective Address）；4.取操作数；取操作数；5.执行执行6.存储运算结果存储运算结果概括的说，可分为概括的说，可分为“取指令取指令”和和“执行指令执行指令”两个步骤。两个步骤。早期的计算机将这两步采用先后轮流动作（串行），早期的计算机将这两步采用先后轮流动作（串行），CPU效率较低。效率较低。取指取指1取指取指2取指取指3执行执行1执行执行2执行执行3流水线计算机流水线计算机（Pipeline Computer） 这类计算机的结构采用生产上的流水线概念，把这类计算机的结

28、构采用生产上的流水线概念，把每条指令分为若干个顺序的操作，每个操作分别由不每条指令分为若干个顺序的操作，每个操作分别由不同的处理部件实现。这样构成的计算机，可以同时处同的处理部件实现。这样构成的计算机，可以同时处理若干条指令，对于每个处理部件来讲，每条指令的理若干条指令，对于每个处理部件来讲，每条指令的同类操作（如同类操作（如“取指令取指令”）像流水一样被连续加工处）像流水一样被连续加工处理，这种指令重叠、处理部件连续工作的计算机，称理，这种指令重叠、处理部件连续工作的计算机，称为流水线计算机。为流水线计算机。 采用流水线方式可以提高计算机的处理速度和提采用流水线方式可以提高计算机的处理速度和提高处理部件的使用效率。高处理部件的使用效率。“指令流水指令流水”是一种实现多条指令重叠执行的重要技术。是一种实现多条指令重叠执行的重要技术。1990年以后出现的处理器，无论是年以后出现的处理器，无论是RISC还是还是CISC，无一不采用无一不采用