微机原理-01-计算机组成机构

基础

###计算机组成结构

依据冯·诺依曼提出的“程序存储”和“二进制运算”的思想构建

微型计算机组成结构

微型计算机系统的性能指标

1．字长
​ 微型计算机的字长是指微处理器内部一次可以并行处理的二进制代码的位数。字长与下述参数有关：
​ （1）运算精度。字长越长，运算精度越高。在完成同样精度的运算时，字长较长的计算机比字长较短的计算机运算速度快。
​ （2）指令长度。字长决定了指令的信息位长度，指令信息位长度直接影响到指令的处理功能。

2．主频（或时钟周期）和指令执行时间
​ 主频是微型计算机的主要性能指标之一，主频很大程度上决定了微型机的运算速度，主频的单位是兆赫兹（MHz）。
​ 指令执行时间是指计算机执行一条指令所需的平均时间，其长短反映了计算机运行速度的快慢。它一方面取决于微处理器的时钟频率（主频），另一方又取决于计算机指令系统的设计、CPU的体系结构等。微处理器指令执行速度表示为每秒运行多少百万条指令（Millions of Instructions Per Second，MIPS）。

3．内部存储器容量
​ 存储容量是衡量微型计算机内部存储器能存储二进制信息量大小的一个技术指标。

4．指令系统
微机的核心部件CPU都有各自的指令系统，一般来说，指令的条数越多，其功能就越强。

5．外设配置
​ 在微机系统中，外设占据了重要地位。计算机信息的输入、输出、存储等都必须由外设来完成，外设对整体系统的性能有重大影响。

6．系统总线
​ 系统总线是连接微机系统各功能部件的公共数据通道，其性能直接关系到微机系统的整体性能。

7．系统软件配置
​ 系统软件也是计算机系统不可缺少的组成部分。软件功能的强弱，是否支持多任务、多用户操作等，都是微机硬件系统性能能否得到充分发挥的重要因素。

8．性能/价格比
性能/价格比越高越好。这里所讲的性能是指综合性能，包括硬件和软件的各种性能。而价格也应考虑整个系统的价格。

###储存器组成与功能

####存储器概述
​ （1）存储器的作用：存储数据和存放计算机运行的程序。
​ （2）存储容量及其计量单位
​ 存储容量是指存储器能够记忆的信息总量。存储器使用的计量单位有如下这些：

​ ① 位（Bit）：存储一个二进制数位。
​ ② 字节（Byte）：将8个二进制位看成一个整体，组成一个字节。
​ ③ 字（Word）：字节的整数倍，有8位字、16位字、32位字等。

存储单元的地址及地址译码

一个存储器可以包含数以千计的存储单元。所以，一个存储器可以存储很多数据，也可以存放很多计算步骤——称为程序（Program）。为了便于存入和取出，每个存储单元必须有一个固定的地址。

存储器单元示意图

RAM与ROM

计算机存储器包括主存储器和辅助存储器。

根据用途的不同，半导体存储器分为两大类：

随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

#####RAM定义

​ RAM是一种在正常工作时既能读出又能写入的存储器。因此，主要用来存放各种输入数据、输出数据、中间结果、最终结果，以及与外存交换的信息，当断电后，RAM中所存储的信息都将消失。

RAM的基本操作是读操作和写操作。

#####RAM分类

根据RAM工作方式的不同，可将RAM分成静态RAM和动态RAM两类。
静态RAM常用双极型晶体管触发器作为记忆元件（也有用MOSFET的），只要有电源加于触发器，数据即可长期保留。
动态RAM则用电容及MOSFET作为记忆元件。由于电容会漏电，因而常需“刷新”，这就是要求每隔2ms充电一次，为此还须另加一刷新电源。
虽然动态RAM比静态RAM便宜，集成度也更高，但因需要刷新，电路上稍为麻烦，因而大多数对存储器容量要求不是很高的微型机都采用静态RAM。

#####ROM定义

只读存储器简称ROM（Read Only Memory）。ROM是一种永久性数据存储器，其中的数据一般由专门的装置或通过特别的手段写入，数据一旦写入，不能随意改写，在切断电源之后，数据也不会消失。计算机对ROM的操作过程与对RAM的类似，只是由于ROM的只读性，在正常工作时，计算机对ROM的操作没有写入这一功能。

#####ROM分类

向ROM中写入信息称为ROM编程。根据编程方式不同，ROM可分为以下几种。

• 掩模ROM。

• 可编程ROM（PROM）

• EPROM。

• E2PROM（EEPROM）。

• Flash ROM。

• 又称闪速存储器（简称闪存），是在EPROM、 E2PROM的基础上发展起来的一种电擦除型只读存储器。特点是可快速在线修改其存储单元中的数据，改写次数可达1万次，其读写速度很快，存取时间可达70ns，而成本比E2PROM低得多，大有取代E2PROM的趋势。

###运算器

运算器用于对二进制数进行算术和逻辑运算，其操作过程是在控制器控制下进行的。运算器主要由算术逻辑单元ALU、累加器A、寄存器阵列、暂存寄存器TMP和程序状态字寄存器PSW等五部分组成。

算术逻辑单元ALU

​ ① 可控反向器及加法/减法器电路
​ 这是算术逻辑单元ALU的核心部件

② 算术逻辑单元
顾名思义，这个部件既能进行二进制数的四则运算，也能进行布尔代数的逻辑运算。
上面介绍的二进制补码加法器/减法器就是最简单的算术部件。通过编制相应的程序，乘法和除法运算也可以利用这个部件来实现。

累加器（accumulator）

​ 累加器是一个由多个触发器组成的多位寄存器，它并不进行加法运算，而是作为ALU运算过程的代数和的临时存储处。这种特殊的寄存器在微型计算机的数据处理中担负着重要的任务。
​ 累加器除了能装入及输出数据外，还能使存储其中的数据左移或右移，所以它又是一种移位寄存器。

等等。。。

控制器

计算机是根据事先存储的程序对全机实行控制的，而程序是指能实现某一功能的指令序列。

控制器就是根据指令来对各种逻辑电路发布命令的机构，它是计算机的指挥中心。

控制器主要由指令部件、时序部件、控制矩阵和其他辅助电路组成。

指令部件

​ 指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生相应控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。
​ 通常，指令部件由**程序计数器（Program Counter，PC）、指令寄存器（Instruction Register，IR）和指令译码器（Instruction Decoder，ID）**三部分组成。

指令格式

程序计数器PC

指令和数据都是以二进制代码的形式存放在存储单元内的，从存储单元的内容区分不出指令与数据，为此在控制器中设置一个专门寄存器用来存放当前要执行的指令在存储器中的位置信息（即存储器地址），以便根据此地址去读取指令，这个寄存器就是程序计数器PC。

指令寄存器IR

指令寄存器IR用来暂时存放从存储器中取出的当前要执行指令的操作码。该指令码在IR中得到寄存和缓冲，被送到指令译码器ID中译码后就知道该指令进行哪种操作，并在时序部件帮助下去推动微操作控制部件完成指令的执行。

输入/输出

（1）并行输入/输出接口电路（Parallel Input/Output Controller）

（2）串行输入/输出接口电路（Serial Input/Output Controller）：
（3）计数/定时电路（Counter/Timer Circuit）
（4）直接存储器存取接口电路（Direct Memory Access）

总线的类型

​ 总线通常有三种类型：
​ ① 数据总线（Data Bus，DB）：专门传送数据信息。
​ ② 地址总线（Address Bus，AB）：专门传送地址信息。
​ ③ 控制总线（Control Bus，CB）：专门传送控制信息。
​ （3）总线信息的传递方向
​ 总线信息的传递方向有单方向传送信息和双方向传送信息两种。

回顾

1．简述计算机的基本组成结构。

2. 简述单片微型计算机系统应用和开发的特点。

解答：
1．答：计算机的基本组成结构由输入设备、输出设备、运算器、控制器和存储器等五大部件构成。

2.答：单片微型计算机系统应用和开发的特点是需要进行软硬两方面的设计和调试。

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