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1、第三章 微型计算机一般原理计算机程序、数据结果3.1.1 冯.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 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 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） 工作，并由一个程序计数器（PC）控制指令的执行。控 制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作 流程。3.1 计算机系统组成原理计算机程序、数据结果3.1 计算机系统组成原理计算机系统的层次结构用户程序O.S、语言处理程序、软件资源机器语言程序、汇编语言程序CPU、M、I/O、系统结构硬件级机器指令级操作系统级高级
2、语言级硬、软件的功能分配功能分配与设计目标、技术条件有关。硬件软化：软件完成较复杂功能，以降低硬件开销 。软件硬化：硬件完成较复杂功能，以提高处理速度 。软件固化：运行微程序实现较复杂功能，以提高性 价比。微型计算机的硬件系统组成示意图输入设备存储器输出设备控制器运算器CPU数据路径控制路径冯.诺依曼结构的硬件系统硬件 由电子线路、元器件和机械部分等构成的具体装 置，由五个基本部件构成。一、 运算器(ALU)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、或 、非、异或等逻辑运算。二、 控制器(CU) 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
3、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“神经中枢”。运算器和控制器二者合起来称为CPU（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。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ALU选择器通用寄存器组选择器运算器（1）功能：加工信息。（2）组成：移位器ALU选择器通用寄存器组选择器通用寄存器组：提供操作数，存 放运算结果。移位器ALU选择器通用寄存器组选择器选择器：选择操作数；选择控制条 件，实现各种算法。移位器ALU选择器通用寄存器
4、组选择器ALU: 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、 由进位链传递进位信号）。移位器ALU选择器通用寄存器组选择器移位器：直接或者移位送 出运算结果。微命令发生器指令信息状态信息时序信号微命令序列逻辑条件时间条件控制器（1）功能：产生控制命令(微命令)，控制全机操作。（2）组成：微命令产生方式（指令执行控制方式）：组合逻辑控制方式：微程序控制方式：由组合逻辑电 路产生 微命令由微指令产生微命令三、存储器(Memory) 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 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： 内
5、存储器(主存储器) 可直接与CPU交换信息 外存储器(辅助存储器) 不可直接与CPU交换信息CPU与内存合起来称为主机存储体地址寄存器译码器读/写线路数据寄存器控制线路存储器（1）功能: 存储信息。（2）组成（主存储器）：1) 存储体: 存放信息的实体。2）寻址系统：对地址码译码，选择存储单元。3）读/写线路和数据寄存器：完成读/写操作，暂存 读/写数据。4）控制线路：产生读/写时序，控制读/写操作。四、 输入设备 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、 光笔、扫描仪、触摸屏、磁盘驱动器等。五、输出设备 把计算机的计算结果或中间结果以容易阅 读和
6、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。总 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 部件。输入设备和输出设备是计算机与外部世界联系的桥 梁，统称为外部设备（I/O设备, INPUT; OUTPUT的缩 写）输入/输出设备功能：转换信息。 主机接口输入/出设备输入：原始信息 代码，送入主机输出：处理结果 人所能接受的形式，并输出（代码） 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 路。总 线部件部件部件总 线功能 内总线局部总线系统总线外总线信息 地址总线数据总线控制总线时序 同步总
7、线异步总线格式 并行总线串行总线方向 单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；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设备输出。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 一条指令，都
8、包 括取指、译码和 执行三个基本步 骤，所以，微型 计算机的工作过 程，也就是不断 地取指令、译码 和执行的过程， 直到遇到停机指 令时才结束机器 的运行。3.2 计算机的基本工作原理二、微处理器内部结构数据总线指令寄存器操作码地址码-1+1 指令译码控制电路堆栈指示器 地址寄存器 程序计数器地址总线内存储器.暂存 寄存器累加器 锁存器ALU标志寄存器累加器A通用寄存器组.微处理器的一般结构：1. 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. 程序计数器. 指令寄存器. 指令译码器. 堆栈指示器. 时序和控制电路. 微处理器内部总线：芯片总线(局部总线)、系统总线(
9、板总线)、外总线(通信总线 )指令 计算机硬件能执行的一个基本操作命令（让计算机完成某个操作所发出的命令）指令格式操作码操作数操作码 指令的功能（告诉计算机干什么） 操作数 操作对象的数据或数据存放的地址指令系统 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）指令系统不同程序 为使计算机完成某项特定任务而编写的一组有序 的指令序列三、指令及执行指令周期取指令指令译码计算有效地址取操作数执行操作 取指周期执行周期指令执行过程:内存指令取指周期：执行周期：控制信号有关部件动作CPU译码CPU程序的执行：CPU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
10、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、话筒打印机主板主机箱鼠标 MODEM接 口ROMI/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、存储器分类内存储器(主存) 外存储器(辅存)磁存储器光存储器只读存储器(ROM)高速缓存(Cache)随机存取存储器(RAM) 存储器PROM EPRO
11、 M E2ROM静态RAM动态RAM 磁带磁盘软盘 硬盘只读光盘(CD-ROM)一次性写入光盘可擦写光盘内存储器 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 可直接与CPU交换信息 工作方式：按地址存取 CPU的寻址能力：由地址线的多少决定 （2N） 随机存取存储器(RAM )： 存放用户程序和数据，具有易 失性（断电后RAM中的内容全部丢失) 高速缓冲存储器(Cache) 只读存储器(ROM)：存放不变的程序和数据(如引导程序 、基本输入/输出系统BIOS)，具有非易失性（断电后ROM中 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。P
12、ROM（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E2ROM：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ROMBIOS广 泛使用。闪存：电可擦除RAM，现在的主流3.3 运算器3.3.1 加法器iBCi-1iASiiCBC-10A00S Bii-1CAiiSiC101ACB1S Bii-1CAiiSiCn-1n-2n-1ACBn-1S Bii-1CAiiSiCnN-1nACBnSCnX运算器是根据程序的指令功能，以ALU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 运算及其他运算的部件。3.3.2 定点加减运算
13、XiX0XnFiF0FnYiY0Yn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64 0 0100 0000 两异号数相加 +（-127） + 1 1000 0001 绝对不会产生溢出-63 1 1100 0001 补1011 1111=-6364 0 0100 0000+ 65 + 0 0100 000 1 产生上溢出129 0 1000 0001 补1111 1111=-127 错-64 1 1100 0000+（-65） + 1 1011 1111 产生下溢出-
14、129 1 0111 1111 补01111111 =127 错补码加64 0 0100 0000+ 63 + 0 0011 1111 无溢出127 0 0111 1111 补0111 1111 =127 对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 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： 1、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； 2、符号位的进位输入Cn-1与进位输出Cn不相同，则 表示发生了溢出； 3、采用双符号法。进行运算时，在加数和被加数前 再增加一位与原数相同的符号位，构成双符号位 ，“00”表示正，“11”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，则一定发 生了溢出。3.4 控制器控制器的工作就是：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。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 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 制运算器按既定的方式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 后，控制指令计数器自动加1，给出下一条指令的存放 位置，启动下一个指令周期。这样，CPU执行指令的过程，可看成
