清華大學(xué)微機(jī)原理-微型計(jì)算機(jī)的基本工作原理

1、12007. 6. 13微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用22 23 3微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)的常用術(shù)語(yǔ)微型計(jì)算機(jī)的常用術(shù)語(yǔ)1 1微型計(jì)算機(jī)的工作原理微型計(jì)算機(jī)的工作原理3l位位(bit)(bit)計(jì)算機(jī)所能表示的最基本、計(jì)算機(jī)所能表示的最基本、最小最小的數(shù)的數(shù)據(jù)單元。據(jù)單元。1 1個(gè)二進(jìn)制位有兩種狀態(tài)個(gè)二進(jìn)制位有兩種狀態(tài)“0”0”和和“1”1” l字字(word) (word) 計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本單基本單位位，與寄存器、，與寄存器、ALUALU寬度一致每一個(gè)字所包含的二寬度一致每一個(gè)字所包含的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長(zhǎng)進(jìn)制位數(shù)稱為字長(zhǎng)l字節(jié)字節(jié)(byt

2、e) 8(byte) 8個(gè)個(gè)BitBit組成一個(gè)字節(jié)組成一個(gè)字節(jié), ,存放相鄰存放相鄰的的8 8位二制數(shù)位二制數(shù). .字節(jié)的長(zhǎng)度固定字節(jié)的長(zhǎng)度固定l指令指令(instruction) (instruction) l程序程序(program)(program)l指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)(instruction set)(instruction set)1 1 微型計(jì)算機(jī)常用的術(shù)語(yǔ)微型計(jì)算機(jī)常用的術(shù)語(yǔ)42 2 微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 微型計(jì)算機(jī)的基本組成如圖所示：微型計(jì)算機(jī)的基本組成如圖所示： 5CPUCPU是微機(jī)的核心部件是微機(jī)的核心部件, ,具有運(yùn)算和控制功能具有運(yùn)算和控制功能組成：

3、組成：l算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALU(arithmetic logic unit) ALU(arithmetic logic unit) l寄存器寄存器(register)(register)組組 l控制器控制器(control unit) (control unit) 2.1 CPU2.1 CPU6 總線是把計(jì)算機(jī)各部分有機(jī)地連接起來的一組并總線是把計(jì)算機(jī)各部分有機(jī)地連接起來的一組并行導(dǎo)線，是各個(gè)部分之間進(jìn)行信息交換的公共通道行導(dǎo)線，是各個(gè)部分之間進(jìn)行信息交換的公共通道微機(jī)的三總線：微機(jī)的三總線：l數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBDB 在在CPUCPU與存儲(chǔ)器和與存儲(chǔ)器和CPUCPU與與I/OI/O接

4、口之間雙向傳送接口之間雙向傳送數(shù)數(shù)據(jù)據(jù). .其條數(shù)決定了每一次能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)其條數(shù)決定了每一次能同時(shí)傳送的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。的位數(shù)。如：如：80888088的數(shù)據(jù)總線為的數(shù)據(jù)總線為8 8條，一次能夠條，一次能夠傳送傳送8 8位二進(jìn)制數(shù)，用位二進(jìn)制數(shù)，用D7D7D0D0表示表示2.2 2.2 總線總線7l地址總線地址總線ABAB 傳送傳送CPUCPU發(fā)出的發(fā)出的地址地址，以尋址存儲(chǔ)單元或，以尋址存儲(chǔ)單元或I/OI/O端口。端口。ABAB的寬度決定了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠使用的最大的存的寬度決定了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠使用的最大的存儲(chǔ)器容量。儲(chǔ)器容量。如：地址總線為如：地址總線為2020條，用條，用A19A1

5、9A0A0表示，表示，可尋址可尋址2 22020=1M=1M的存儲(chǔ)空間的存儲(chǔ)空間l控制總線控制總線CBCB 向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各部件發(fā)送向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各部件發(fā)送操作命令和定時(shí)信息。操作命令和定時(shí)信息。帶有上橫線的表示低電平有效帶有上橫線的表示低電平有效, ,無上橫線的表示高無上橫線的表示高電平有效電平有效 如：如：ALE(address latch enable)ALE(address latch enable)、INTRINTR高電平有高電平有效，效，MEMWMEMW、MEMRMEMR、IORIOR、IOWIOW、INTAINTA低電平有效低電平有效82.3 2.3 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器(memory)

6、(memory)1. 1. 存儲(chǔ)器單元的地址和內(nèi)容存儲(chǔ)器單元的地址和內(nèi)容 92. 2. 存儲(chǔ)器的分類存儲(chǔ)器的分類 存儲(chǔ)器分為內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器兩大類，分別存儲(chǔ)器分為內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器兩大類，分別簡(jiǎn)稱為內(nèi)存和外存，外存也叫輔存，內(nèi)存也叫主存。簡(jiǎn)稱為內(nèi)存和外存，外存也叫輔存，內(nèi)存也叫主存。程序和數(shù)據(jù)以文件的形式保存在外存中，要執(zhí)行的程程序和數(shù)據(jù)以文件的形式保存在外存中，要執(zhí)行的程序和要使用的數(shù)據(jù)必須事先調(diào)入內(nèi)存。為了加快序和要使用的數(shù)據(jù)必須事先調(diào)入內(nèi)存。為了加快CPUCPU訪訪問內(nèi)存的速度，從而提高程序的運(yùn)行速度，在內(nèi)存和問內(nèi)存的速度，從而提高程序的運(yùn)行速度，在內(nèi)存和CPUCPU之間或者之

7、間或者CPUCPU內(nèi)部增加了存取速度較高的高速緩沖內(nèi)部增加了存取速度較高的高速緩沖存儲(chǔ)器，即存儲(chǔ)器，即cachecache。為了擴(kuò)充內(nèi)存容量，還將外存作為。為了擴(kuò)充內(nèi)存容量，還將外存作為內(nèi)存的輔助，給用戶提供比內(nèi)存大得多的邏輯存儲(chǔ)容內(nèi)存的輔助，給用戶提供比內(nèi)存大得多的邏輯存儲(chǔ)容量，這就是所謂的量，這就是所謂的“虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器”。10虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器 人們通常所指的內(nèi)存是由人們通常所指的內(nèi)存是由“內(nèi)存條內(nèi)存條”組成的物理組成的物理存儲(chǔ)器，物理存儲(chǔ)器是由地址總線直接訪問的存儲(chǔ)空存儲(chǔ)器，物理存儲(chǔ)器是由地址總線直接訪問的存儲(chǔ)空間，其地址稱為物理地址。顯然，地址總線的條數(shù)決間，其地址稱為物理地

8、址。顯然，地址總線的條數(shù)決定了物理存儲(chǔ)器即內(nèi)存的最大容量。定了物理存儲(chǔ)器即內(nèi)存的最大容量。11 虛擬存儲(chǔ)器是相對(duì)物理存儲(chǔ)器而言的，虛擬存儲(chǔ)虛擬存儲(chǔ)器是相對(duì)物理存儲(chǔ)器而言的，虛擬存儲(chǔ)器是指程序使用的邏輯存儲(chǔ)空間，它可以比物理存儲(chǔ)器是指程序使用的邏輯存儲(chǔ)空間，它可以比物理存儲(chǔ)空間大得多。虛擬存儲(chǔ)器由內(nèi)存、輔存和管理部件共空間大得多。虛擬存儲(chǔ)器由內(nèi)存、輔存和管理部件共同組建。通過管理軟件達(dá)到內(nèi)存和輔存密切配合，使同組建。通過管理軟件達(dá)到內(nèi)存和輔存密切配合，使整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度接近內(nèi)存、容量接近輔存。當(dāng)應(yīng)整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度接近內(nèi)存、容量接近輔存。當(dāng)應(yīng)用程序訪問虛擬存儲(chǔ)器時(shí)，必須給出虛擬地址即邏輯用程序

9、訪問虛擬存儲(chǔ)器時(shí)，必須給出虛擬地址即邏輯地址，在此過程中，先通過硬件和軟件找出邏輯地址地址，在此過程中，先通過硬件和軟件找出邏輯地址到物理地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷要訪問的是否已裝到物理地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷要訪問的是否已裝入內(nèi)存，如已裝入則直接訪問內(nèi)存，否則，相應(yīng)的硬入內(nèi)存，如已裝入則直接訪問內(nèi)存，否則，相應(yīng)的硬件和管理軟件會(huì)將要訪問的有關(guān)數(shù)據(jù)塊從輔存調(diào)入內(nèi)件和管理軟件會(huì)將要訪問的有關(guān)數(shù)據(jù)塊從輔存調(diào)入內(nèi)存，與此同時(shí)將內(nèi)存中原有的暫時(shí)不使用的某數(shù)據(jù)塊存，與此同時(shí)將內(nèi)存中原有的暫時(shí)不使用的某數(shù)據(jù)塊調(diào)回輔存，并且將虛擬地址轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢淼刂贰Ｕ{(diào)回輔存，并且將虛擬地址轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢淼刂贰?2高速緩沖存儲(chǔ)器高

10、速緩沖存儲(chǔ)器 高速緩沖存儲(chǔ)器即高速緩存高速緩沖存儲(chǔ)器即高速緩存CacheCache是使用速度與是使用速度與CPUCPU相當(dāng)?shù)撵o態(tài)隨機(jī)讀相當(dāng)?shù)撵o態(tài)隨機(jī)讀/ /寫存儲(chǔ)器芯片組成的小容量存寫存儲(chǔ)器芯片組成的小容量存儲(chǔ)器，用來存放微處理器最近要用的指令和數(shù)據(jù)。儲(chǔ)器，用來存放微處理器最近要用的指令和數(shù)據(jù)。 CacheCache中的內(nèi)容其實(shí)是內(nèi)存中一小部分內(nèi)容的復(fù)中的內(nèi)容其實(shí)是內(nèi)存中一小部分內(nèi)容的復(fù)制品，內(nèi)存中經(jīng)常被微處理器使用到的一部分內(nèi)容要制品，內(nèi)存中經(jīng)常被微處理器使用到的一部分內(nèi)容要烤頁(yè)到烤頁(yè)到CacheCache中，并不斷地更新中，并不斷地更新CacheCache中的內(nèi)容，使得中的內(nèi)容，使得Cac

11、heCache中總是保存有最近經(jīng)常被微處理器使用的一部中總是保存有最近經(jīng)常被微處理器使用的一部分內(nèi)容。分內(nèi)容。13CacheCache中存放的內(nèi)容除了內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)外，還要中存放的內(nèi)容除了內(nèi)存中的指令和數(shù)據(jù)外，還要存放這些指令和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的對(duì)應(yīng)地址。當(dāng)微處理存放這些指令和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的對(duì)應(yīng)地址。當(dāng)微處理器存取指令和數(shù)據(jù)時(shí)，器存取指令和數(shù)據(jù)時(shí)，CacheCache截取微處理器送出的地截取微處理器送出的地址，并判別這個(gè)地址與址，并判別這個(gè)地址與CacheCache中保存的地址是否相同中保存的地址是否相同。若相同，則從。若相同，則從CacheCache中存取該地址中的指令或數(shù)據(jù)中存取該地址中的

12、指令或數(shù)據(jù)；否則就從內(nèi)存中存取。；否則就從內(nèi)存中存取。143. 3. 存儲(chǔ)器的操作存儲(chǔ)器的操作 CPU CPU對(duì)存儲(chǔ)器的操作有讀和寫兩種，讀操作是對(duì)存儲(chǔ)器的操作有讀和寫兩種，讀操作是CPUCPU將存儲(chǔ)單元的信息取到將存儲(chǔ)單元的信息取到CPUCPU內(nèi)部，而寫操作是內(nèi)部，而寫操作是CPUCPU將其內(nèi)部的信息傳送到存儲(chǔ)單元保存。寫操作要改將其內(nèi)部的信息傳送到存儲(chǔ)單元保存。寫操作要改變被寫存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，而讀操作則不改變被讀存變被寫存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，而讀操作則不改變被讀存儲(chǔ)單元的內(nèi)容。向存儲(chǔ)單元存放或取出信息，都稱儲(chǔ)單元的內(nèi)容。向存儲(chǔ)單元存放或取出信息，都稱為訪問存儲(chǔ)器。訪問存儲(chǔ)器時(shí)，先由地址譯碼器將為

13、訪問存儲(chǔ)器。訪問存儲(chǔ)器時(shí)，先由地址譯碼器將送來的單元地址進(jìn)行譯碼，找到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元；送來的單元地址進(jìn)行譯碼，找到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元；再由讀寫控制電路，根據(jù)送來的讀或?qū)懨畲_定訪再由讀寫控制電路，根據(jù)送來的讀或?qū)懨畲_定訪問存儲(chǔ)器的方式，完成讀出問存儲(chǔ)器的方式，完成讀出( (讀讀) )或?qū)懭牖驅(qū)懭? (寫寫) )操作。操作。15外部設(shè)備通過總線插座和接口與計(jì)算機(jī)連接。設(shè)置接外部設(shè)備通過總線插座和接口與計(jì)算機(jī)連接。設(shè)置接口的主要原因口的主要原因 l外設(shè)的工作速度遠(yuǎn)低于外設(shè)的工作速度遠(yuǎn)低于CPUCPU的速度的速度l外設(shè)表示信息的格式與計(jì)算機(jī)不同外設(shè)表示信息的格式與計(jì)算機(jī)不同l接口向計(jì)算機(jī)報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)

14、接口向計(jì)算機(jī)報(bào)告設(shè)備的狀態(tài), ,傳達(dá)計(jì)算機(jī)命令等傳達(dá)計(jì)算機(jī)命令等2.4 2.4 總線插座和接口總線插座和接口162.5 2.5 I/O設(shè)備l輸入設(shè)備：鍵盤、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、掃描儀等輸入設(shè)備：鍵盤、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、掃描儀等l輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖機(jī)等輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖機(jī)等 l輸入輸入/ /輸出設(shè)備：磁盤和光盤等輸出設(shè)備：磁盤和光盤等173 3 計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)的工作原理 CPUCPU、存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器、I/OI/O接口、外部設(shè)備構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的接口、外部設(shè)備構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件硬件(hardware)(hardware)，光有這樣的硬件還只是具有了計(jì)算的，光有這樣的硬件還只是具有了計(jì)算的可能。計(jì)算機(jī)要真正能夠進(jìn)行計(jì)算還必須有多種程序的可能。計(jì)算機(jī)要真正能夠進(jìn)行計(jì)算還必須有多種程序的配合。配合。 當(dāng)人們要解決問題時(shí)當(dāng)人們