(微型计算机系统模型).ppt

1、微型计算机系统模型,第一章第二节,现代计算机的结构基础：存储程序控制结构,1945年，美籍匈牙利数学家John Von Neumann提出, 冯.诺依曼计算机,概述,1 计算机系统的组成,一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。,组成计算机的物理实体,1 计算机系统的组成,一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。,为使计算机正常工作而设置的命令,微型计算机的硬件系统,运算器,最终结果 数 中间结果/ 据 最后结果 原始数据 与程序 最后 结果 程 序 计算机系统的硬件组成框图,存储器,控制器,输出设备,输入设备,将程序和数据送到计算机中的存储器。 常用输入设备有键盘，鼠

2、标器。,运算器,最终结果 数 中间结果/ 据 最后结果 原始数据 与程序 最后 结果 程 序 计算机系统的硬件组成框图,存储器,控制器,输出设备,输入设备,实现算术和逻辑运算，运行数据处理,运算器,最终结果 数 中间结果/ 据 最后结果 原始数据 与程序 最后 结果 程 序 计算机系统的硬件组成框图,存储器,控制器,输出设备,输入设备,用于存储数据和程序 。,运算器,最终结果 数 中间结果/ 据 最后结果 原始数据 与程序 最后 结果 程 序 计算机系统的硬件组成框图,存储器,控制器,输出设备,输入设备,对指令进行译码后向各部件发出控制信号，指挥计算机按规定进行工作,运算器,最终结果 数 中间

3、结果/ 据 最后结果 原始数据 与程序 最后 结果 程 序 计算机系统的硬件组成框图,存储器,控制器,输出设备,输入设备,将计算机的处理结果输出到外，供人们识别和存储，常用的输出设备有：打印机，显示器。,运算器,最终结果 数 中间结果/ 据 最后结果 原始数据 与程序 最后 结果 程 序 计算机系统的硬件组成框图,存储器,控制器,输出设备,输入设备,将程序和数据送到计算机中的存储 器，常用输入设备有盘，鼠标器,实现算术和逻辑运算，运行数据处理,将计算机的处理结果输出到外部，供人们识别和存储，常用的输出设备有：打印机，显示器,对指令进行译码后向各部件发出控制信号，指挥计算机按规定进行工作,用于存

4、储数据和程序,计算机的软件系统 硬件只是使计算机具备了计算的可能，但是计算机脱离人的干预自动进行计算，还需要有软件的配合。 1 软件系统是指计算机所使用的各种程序的集合。,程序是指指令的有序集合，是人们为使计算机完成某一特定任务而编排的一系列指令。,程序是指指令的有序集合，是人们为使计算机完成某一特定任务而编排的一系列指令。,计算机的软件系统 硬件只是使计算机具备了计算的可能，但是计算机脱离人的干预自动进行计算，还需要有软件的配合。 1 软件系统是指计算机所使用的各种程序的集合。,指令是规定计算机完成某种操作的命令，它用二进制码表示，存于存储器中。,最终结果 数 中间结果/ 据 最后结果 原始

5、数据 与程序 最后 结果 程 序 结束！ 计算机的工作过程 单击鼠标开始！,控制器,输出设备,存储器,输入设备,运算器,存储器,二、 微机系统硬件主要组成部分及功能,特点： 1. 运算器和控制器集成在一个芯片上，称之为CPU芯片。 2. 存储器由半导体存储器芯片组成。 3. 外设通过I/O口芯片与机器内各部件交换信息。 4. CPU，存储器，I/O 口通过AB，DB，CB三总线交换信息。,1、核心级微处理器,微处理器简称CPU，是计算机的核心 运算器ALU 控制器CU 寄存器组Registers 实现运算功能和控制功能,注：不同型号的微型计算机性能的差别，在于微处理器性能 的不同。但无论哪种微

6、处理器，其基本部件总是相同的。,通用微处理器基本组成图,算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit） 累加器A或ACC（Accumulator） 标志寄存器FR（Flag Register) 寄存器组RS（Registers）,在控制器控制下对二进制数进行算术逻辑运算及信息传递的部件。,运算器,！ 相互之间通过内部总线连接而成。, 程序计数器PC（Program Counter） 指令寄存器IR（Instruction Register） 指令译码器ID（Instruction Decoder） 操作控制部件或称为组合逻辑阵列PLA（ Programmed Logic Ar

7、ray） 时序发生器,控制器CU （Control Unit）,主要作用： 解题程序与原始数据的输入 从内存中取出指令并译码 控制运算器对数据信息进行传送与加工 运算结果的输出 外部设备与主机之间的信息交换 计算机系统中随机事件的自动处理等,是计算机系统发布操作命令的部件，是计算机的指挥中心。所有的操作都是在控制器的控制下实现的。,2、主机硬件系统存储器,存储容量：能存储信息的字节数，通常用B(byte)、KB、GB、TB来表示。,存储器(memory)是计算机的主要组成部分。用来存储计算机要进行处理的原始数据以及指示计算机如何工作的程序，并将运算的中间结果以及处理后的中间结果保存起来。,内存

8、与外存,计算机内存：主存储器，它由半导体集成电路芯片组成，用于存储当前运行所需要的程序和数据。一般工作速度快，但容量有限。 计算机外存：除内存外，把磁带、磁盘这些存储器通称外存储器。如硬盘，光盘等。通常容量大如硬盘120G，工作速度慢。不能直接参与计算机运算,内存储器的分类,只读存储器（ROM） 工作时只能读 非易失性，永久或半永久性存放信息 掉电后不会丢失存储的数据 一般用途：存放固定的程序和数据,开机自检引导程序.,读写存储器（RAM） 可读可写 易失性，临时存放程序和数据 掉电后丢失存储的数据,？,存储器单元 存储器单元的地址 存储器单元的内容 对存储器的读/写操作,地址码 存储单元 0

9、000H 地 0001H 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 码 出 器 电 FFFFH 路 CB 读/写控制电路 存储器的组成框图,地址码 存储单元 0000H 地 0001H 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 码 出 器 电 FFFFH 路 CB 读/写控制电路 存储器的组成框图,1.存储单元是存储器的核心部 件。 2.存储器的每个存储单元可以存 储8位二进制信息。 注意:人们选定8位二进制为一 个字节（Byte）,用B表示。即1 个字节由8个二进制数位组成。 除字节单位外，还有千字 节（KB）、兆字节（MB）以及 千兆字节（GB）等。它们之间 存在下列换算关系： lB=

10、8bit lKB=l024B lMB=l024KB lGB=l024MB,地址码 存储单元 0000H 地 0001H 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 码 出 器 电 FFFFH 路 CB 读/写控制电路 存储器的组成框图,为了区分不同的 存储单元，需要 对存储单元进行 编号，一般用二 进制对存储单元 编号，称这种编 为地址。,地址与存储内容表示方法：,（X）=Y；地址X中的内容是Y。,地址0004H字节单元内容表示成：,（0004H)=34H,地址0004H字单元内容表示成：,（0004H)=1234H,同一地址存储的是字节还是字，由数据定义伪指令 指示。,思考：在存储器中存放的

11、数据如下图所示，试读出75422H和75424H字节单元的内容是什么？读出75422H和75424H字单元的内容是什么？,字节内容：,（75422H）,（75424H）,字内容：,（75422H）,（75424H）,9CH,5DH,249CH,6E5DH,存储单元 0000H 地 0001H 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 0000H 码 出 器 电 FFFFH 路 CB 读/写控制电路 请点击鼠标! 存储器的写操作过程 例:将34H写入0000H单元,存储单元 0000H 地 0001H 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 0000H 码 出 器 电 FFFFH 路 CB

12、 读/写控制电路 请点击鼠标! 存储器的写操作过程,34H,存储单元 0000H 地 0001H 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 0000H 码 出 器 电 FFFFH 路 请点击鼠标! CB 读/写控制电路 写信号 存储器的写操作过程,34H,存储单元 0000H 0 0 1 1 0 1 0 0 地 0001H 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 0000H 码 出 器 电 FFFFH 路 结束! CB 读/写控制电路 写信号 存储器的写操作过程,存储单元 0000H 地 0001H 0 0 1 0 1 1 0 0 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 0001H

13、码 出 器 电 FFFFH 路 CB 读/写控制电路 存储器的读操作过程 例:从0001H单元读出数据,请点击鼠标!,存储单元 0000H 地 0001H 0 0 1 0 1 1 0 0 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 0001H 码 出 器 电 FFFFH 路 CB 读/写控制电路 存储器的读操作过程,请点击鼠标!,存储单元 0000H 地 0001H 0 0 1 0 1 1 0 0 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 0001H 码 出 器 电 FFFFH 路 CB 读/写控制电路 读信号 存储器的读操作过程,请点击鼠标!,存储单元 0000H 地 0001H 0 0

14、1 0 1 1 0 0 输 址 0002H 入 AB 译 输 DB 0001H 码 出 器 电 FFFFH 路 结束! CB 读/写控制电路 读信号 存储器的读操作过程,4CH,存储器组织,为了适应CPU的高速运行，建立了层次结构的存储器组织，如下图所示：,高速缓存CACHE容量小，速度最高，直接与CPU交换数据；外存容量大，速度低;内存处于中间。,3、主机硬件系统I/O设备,包括输入、输出设备，通过接口电路与主机相连。,输入设备：向主机输入程序、数据和命令信息的 设备，如键盘、鼠标、触摸屏等。 输出设备：将计算机处理过的二进制代码信息， 转换成人们能识别的形式输出的设备，如打印机等。,主机硬

15、件系统输入/输出接口,简写为I/O接口，是CPU与外部设备间的桥梁,I/O接口结构示意图,CPU通过对I/O端口进行读/写操作，实现对外设的控制。,4、总线,总线是连接多个功能部件的一组公共信号线， 微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输。,？,微机总线是微机的数据通道，分为外部总线和内部总线。这里介绍的外部总线。 CPU内部总线由CPU产厂家设计/决定，一般都是单总线结构。,按信号的作用，总线分为三类： 地址总线、数据总线、控制总线,地址总线AB(Address Bus) ：单向 用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。,地址总线是微型计算机用来传送地址信息的信号线

16、。地址总线的位数决定了CPU可以直接寻址的内存空间的大小。因为地址总是从CPU发出的，所以地址总线是单向的、三态总线。单向指信息只能沿一个方向传送，三态指除了输出高、低电平状态外，还可以处于高阻抗状态（浮空状态）。,地址总线的条数 决定CPU的寻址能力。 10根 210 1024 1K 20根 220 1024K 1M 32根 232 22 230 4G 36根 236 26 230 64G,数据总线DB(Data Bus )：双向 用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。,数据总线是CPU用来传送数据信息的信号线（双向、三态）。数据总线是双向三态总线，即数据既可以从CPU送到其它部

17、件，也可以从其它部件传送给CPU，数据总线的位数和处理器的位数相对应。,数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。,8 根 一次传送 8位 16 根 一次传送 16位 32 根 一次传送 32位 64 根 一次传送 64位,控制总线CB (Control Bus ) ：用于传送各种控制信号。,控制总线是用来传送控制信号的一组总线。这组信号线比较复杂，由它来实现CPU对外部功能部件（包括存储器和I/O接口）的控制及接收外部传送给CPU的状态信号，不同的微处理器采用不同的控制信号。控制总线的信号线，有的为单向，有的为双向或三态，有的为非三态，取决于具体的信号线。,主机硬件系统其他硬件电路,时钟电

18、路：用来产生计算机工作时所必须的时钟控制信号。,中断控制电路：用来计算机中断过程的硬件控制。,DMA：提供DMA过程的控制。,三、计算机的工作过程,存储程序计算机 又称为冯诺依曼型计算机 数据和程序均以二进制代码的形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式 程序由多条有逻辑关系的指令组成 先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行,冯诺依曼计算机的特点,五大组成运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 共用总线数据与程序以二进制代码的形式不加区分地存放在存储器中，即：使用相同的输入/ 输出通道。存放位置由地址指示。 顺序执行控制器根据程序来工作，并由一个程序计

19、数器控制指令的执行。 另一种计算机结构：哈佛结构,程序由指令构成，在程序执行之前，要先把程序中的指令机器码送到存储器中存放； 开始执行程序时先把第一条指令的地址送到程序计数器PC中，程序的的执行过程就是各条指令的执行过程。一条指令的执行过程一般包括取指阶段（从存储器中取出指令的操作码并送到CPU中的IR）和执行阶段（IRID-PLD产生和各种控制信号，完成指令所规定的操作）,举例说明：5+6=？,CPU的工作过程,第一步 编程,5+6=?的计算机汇编程序,第二步 把程序送到存储器中,设存储器有65536个存储单元，存储情况如下： 0000H 1 0 1 1 0 0 0 0 0001H 0 0

20、0 0 0 1 0 1 0002H 0 0 0 0 0 1 0 0 0003H 0 0 0 0 0 1 1 0 0004H 1 1 1 1 1 1 1 1 FFFFH 1 1 1 1 1 1 1 1,第三步 首地址送PC，启动计算机开始,（1）取第一条指令 MOV A，05H；B0H 05H （2）执行第一条指令 根据PLA发出的控制信号可以知道，这条指令要把5送到A中，而5在下一个存储器单元存放，故需要到0001H单元中取出5，送到A中 （3）取第二条指令 ADD A，06H；04H 06H （4）执行第二条指令 根据PLA发出的控制信号可以知道，这条指令要把6与A的数相加中，而6在下一个存

21、储器单元存放，故需要到03H单元中取出6，送到ALU与A中的5相加后送回到A中。,演示,演示,演示,演示,返回,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0000H PC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1 0 1 1 0 0 0 0 输 址 0001H 0 0 0 0 0 1 0 1 入 译 0002H 0 0 0 0 0 1 0 0 输 码 0003H 0 0 0 0 0 1 1 0 出 器 电 FFFFH 1 1 1 1 1 1 1 1 路 读写控制,0001H,返回,请单击鼠标！,返回,请单击鼠标！,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0000H

22、0001HPC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 0000 输 址 0001H 0000 0101 入 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 0000 0110 出 器 电 FFFFH 1111 1111 路 读写控制,RD,返回,请单击鼠标！,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0001HPC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 0000 输 址 0001H 0000 0101 入 0000H 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 0000 0110 出 器 电 FFFFH 1111 1111 路 读写

23、控制,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0001H PC ID A IR 内部数据线 地 0000H 10110000 输 址 0001H 00000101 入 0000H 译 0002H 00000100 输 码 0003H 00000110 出 器 电 FFFFH 11111111 路 RD 读写控制,B0H,返回,取第一条指令结束！,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0001H PC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 0000 输 址 0001H 0000 0101 入 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 000

24、0 0110 出 器 电 FFFFH 1111 1111 路 读写控制,0002H,返回,请单击鼠标！,返回,请单击鼠标！,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0001H 0002HPC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 0000 输 址 0001H 0000 0101 入 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 0000 0110 出 器 电 FFFFH 1111 1111 路 读写控制,RD,请单击鼠标！,返回,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0002HPC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 000

25、0 输 址 0001H 0000 0101 入 0001H 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 0000 0110 出 器 电 FFFFH 1111 1111 路 读写控制,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0002H PC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 0000 输 址 0001H 0000 0101 入 0001H 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 0000 0110 出 器 电 FFFFH 1111 1111 路 RD 读写控制,05H,返回,第一条指令执行完！,AB CB DB ALU FR AR PL

26、A DR 0002H PC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 0000 输 址 0001H 0000 0101 入 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 0000 0110 出 器 电 FFFFH 1111 1111 路 读写控制,0003H,05H,返回,请单击鼠标！,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0002H 0003HPC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 0000 输 址 0001H 0000 0101 入 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 0000 0110 出 器 电 FFFFH 1

27、111 1111 路 读写控制,05H,返回,请单击鼠标！,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0003HPC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 0000 输 址 0001H 0000 0101 入 0002H 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 0000 0110 出 器 电 FFFFH 1111 1111 路 读写控制,RD,05H,返回,请单击鼠标！,AB CB DB ALU FR AR PLA DR 0003H PC ID A IR 内部数据线 地 0000H 1011 0000 输 址 0001H 0000 0101 入 0002H 译 0002H 0000 0100 输 码 0003H 0000 0110 出 器 电 FFFFH 1111 1111 路 RD 读写控制,04H,05H,返回,取第二条指令