1、第第2章章 微机组成及基本原理微机组成及基本原理本章学习重点本章学习重点p掌握计算机硬件系统的基本组成掌握计算机硬件系统的基本组成p了解计算机总线系统了解计算机总线系统p了解指令系统了解指令系统p了解系统接口了解系统接口p熟悉微机工作原理熟悉微机工作原理2.1 微机系统的基本组成微机系统的基本组成p一个完整的计算机系统是由硬件系统和软一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成。件系统两部分组成。2.1.1 运算器运算器p运算器主要由算术逻辑单元（运算器主要由算术逻辑单元（Arithmetic Arithmetic and Logic Unitand Logic Unit，简称，简称A
2、LUALU）和寄存器组）和寄存器组所构成所构成 2.1.2 控制器控制器p控制器是整个计算机的指挥控制中心。控制器是整个计算机的指挥控制中心。控制器的工作过程是：控制器的工作过程是：首先首先从内存中从内存中取出指令取出指令，并对指令进行，并对指令进行分析，分析，然后然后根据指令的功能要求向有关部根据指令的功能要求向有关部件发出操作控制命令，控制它们件发出操作控制命令，控制它们执行执行这条这条指令指令规定的功能。一般当各部件执行完控规定的功能。一般当各部件执行完控制器发来的命令后，还会向控制器制器发来的命令后，还会向控制器反馈执反馈执行的情况行的情况。2.1.2 控制器控制器根据工作原理划分，控
3、制器可以分为两种：根据工作原理划分，控制器可以分为两种：微程序控制器和硬布线控制器。微程序控制器和硬布线控制器。p微程序控制器由指令部件、时序部件和微微程序控制器由指令部件、时序部件和微操作信号发生器等组成。操作信号发生器等组成。2.1.3 存储器存储器p 内存储器：内存储器：根据基本功能分为根据基本功能分为随机存取存储器随机存取存储器（RAMRAM，random access memoryrandom access memory）和）和只读存储器只读存储器（ROMROM，read only memoryread only memory）两种）两种 2.1.3 存储器存储器p（1 1）随机存取
4、存储器：可以随时根据需要读出数据，）随机存取存储器：可以随时根据需要读出数据，也可以随时重新写入新的数据也可以随时重新写入新的数据 图2-5六管静态基本单元电路 图2-6 Intel公司的2114静态RAM 2.1.3 存储器存储器图2-7 四管动态基本单元电路 图2-8 单管动态基本单元电路2.1.3 存储器存储器p（2 2）只读存储器：是一种在计算机运行过程中，只能）只读存储器：是一种在计算机运行过程中，只能读出不能写入和修改的存储器读出不能写入和修改的存储器 2.1.3 存储器存储器p（3 3）高速缓冲存储器（）高速缓冲存储器（cachecache）：为了解决主存和）：为了解决主存和CP
5、UCPU之间的速度冲突问题之间的速度冲突问题，采用的一种比主存储器存取速采用的一种比主存储器存取速度更快的存储器度更快的存储器 图2-11 cache是介于CPU和主存之间的小容量存储器2.1.4 输入和输出设备输入和输出设备p输入输出设备简称输入输出设备简称I/OI/O设备，通常又称为设备，通常又称为外部设备或外围设备。外部设备或外围设备。I/OI/O设备是人与计设备是人与计算机直接对话的设备，是人机相互通信算机直接对话的设备，是人机相互通信的桥梁。的桥梁。2.2 微机的指令系统微机的指令系统2.2.1 2.2.1 指令系统简介指令系统简介从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有从计算机组
6、成的层次结构来说，计算机的指令有微微指令指令、机器指令机器指令和和宏指令宏指令之分。之分。p微指令：微程序级的命令，它属于硬件。微指令：微程序级的命令，它属于硬件。p宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件。属于软件。p机器指令（指令）：介于微指令与宏指令之间，机器指令（指令）：介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。2.2.1 指令系统简介指令系统简介p指令系统：一台计算机中所有机器指令的指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合，它是表征一台计算机性能的重要因集合，它是
7、表征一台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直接影响到机器的素，其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。到机器的适用范围。2.2.1 指令系统简介指令系统简介一个完善的指令系统应满足如下四方面的一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求：要求：p完备性完备性p有效性有效性p规整性规整性p兼容性兼容性2.2.2 指令的格式指令的格式p指令格式是指令用二进制代码表示的结构形指令格式是指令用二进制代码表示的结构形式。式。操作码OP（n位）地址码AD（m位）p指令的操作码表示该指令应进行什么性质的指令的操作码表示该指令应
8、进行什么性质的操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等。数、存数等。p组成操作码字段的位数一般取决于计算机指组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。令系统的规模。2.2.3 指令的类型指令的类型p 数据传送指令数据传送指令p 算术运算指令算术运算指令p 逻辑运算指令逻辑运算指令p 程序控制指令程序控制指令p 输入输出指令输入输出指令p 其他指令其他指令p 特权指令特权指令p 字符串处理指令字符串处理指令2.2.4 指令的寻址指令的寻址p操作数或指令在存储器中的地址：某个操操作数或指令在存储器中的地址：某个操作数或某条指令存放在某个存储单
9、元时其作数或某条指令存放在某个存储单元时其存储单元的编号。存储单元的编号。p指令的寻址方式有两种，一种是顺序寻址指令的寻址方式有两种，一种是顺序寻址方式，另一种是跳跃寻址方式。方式，另一种是跳跃寻址方式。2.2.5 操作数的寻址操作数的寻址1 1隐含寻址隐含寻址 2 2立即寻址立即寻址3 3直接寻址直接寻址4 4间接寻址间接寻址5 5寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式6 6相对寻址方式相对寻址方式7 7基址寻址方式基址寻址方式8 8变址寻址方式变址寻址方式9 9块寻址方式块寻址方式 1010段寻址方式段寻址方式2.3 微机的总线系统微机的总线系统p现代计算机系
10、统的复杂结构，使各部件之间需现代计算机系统的复杂结构，使各部件之间需要有一个能够有效高速传输各种信息的通道要有一个能够有效高速传输各种信息的通道 ，这就是总线。这就是总线。p一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：一个单处理器系统中的总线，大致分为三类：1 1内部总线：内部总线：CPUCPU内部连接各寄存器及运算部件内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。之间的总线。2 2系统总线：系统总线：CPUCPU同计算机系统的其他高速功能同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线。部件，如存储器、通道等互相连接的总线。3 3I/OI/O总线：中、低速总线：中、低速I/OI/O设备之间
11、互相连接的总设备之间互相连接的总线。线。2.3.1 总线的结构总线的结构p 单机系统中采用的总线结构有三种基本类型：（单机系统中采用的总线结构有三种基本类型：（1 1）单）单总线结构；（总线结构；（2 2）双总线结构；（）双总线结构；（3 3）三总线结构）三总线结构 图2-13 单总线结构示意图 图2-14 双总线结构示意图 图2-15三总线结构示意图2.3.2 总线的结构与系统性能总线的结构与系统性能p最大存储容量最大存储容量p吞吐量吞吐量p指令系统指令系统2.3.3 总线的控制方式总线的控制方式1 1集中式仲裁集中式仲裁（1 1）链式查询方式）链式查询方式（2 2）计数器定时查询方式）计数
12、器定时查询方式（3 3）独立请求方式）独立请求方式2 2分布式仲裁分布式仲裁2.3.4 通用串行总线通用串行总线p通用串行总线通用串行总线USB USB（Universal Serial Universal Serial BusBus）是一种用于将适用）是一种用于将适用USBUSB的外围设备连的外围设备连接到主机的外部总线结构，主要用在中速接到主机的外部总线结构，主要用在中速和低速的外设。和低速的外设。2.3.4 通用串行总线通用串行总线1.USB1.USB结构和工作原理结构和工作原理（1 1）物理结构）物理结构（2 2）逻辑结构）逻辑结构（3 3）USBUSB通信分层模型通信分层模型（4 4
13、）USBUSB四种传输模式四种传输模式图2-16 USB的物理拓扑结构 图2-17 USB通信分层模型 2.4 微机的接口系统微机的接口系统2.4.1 2.4.1 信息的传递方式信息的传递方式（1 1）串行传送）串行传送（2 2）并行传送）并行传送（3 3）分时传送）分时传送 图2-18 信息串行传送 图2-19 信息并行传送 2.4.2 接口的基本概念接口的基本概念I/OI/O设备适配器通常简称为接口。典型的接设备适配器通常简称为接口。典型的接口通常具有如下功能：口通常具有如下功能：p程序中断程序中断p缓冲缓冲p状态状态p转换转换p整理整理p控制控制2.4.3 接口的分类接口的分类I/OI/
14、O接口的硬件主要分为两大类：接口的硬件主要分为两大类：（1 1）I/OI/O接口控制卡接口控制卡 （2 2）I/OI/O接口芯片接口芯片 2.4.4 接口的控制方式接口的控制方式DMADMA（直接存储器存取）传送方式：（直接存储器存取）传送方式：p中断处理方式中断处理方式p程序查询方式程序查询方式2.4.5 USB接口芯片接口芯片CH375CH375芯片是一种芯片是一种USBUSB总线的通用接口总线的通用接口芯片，支持芯片，支持HOSTHOST主机方式和主机方式和SLAVESLAVE设备方设备方式。式。图2-19 CH375芯片内部结构 2.5 微机的工作原理微机的工作原理在计算机工作时，在计
15、算机工作时，CPUCPU逐条执行程序中逐条执行程序中的语句就可以完成一个程序的执行，从而的语句就可以完成一个程序的执行，从而完成一项特定的任务。完成一项特定的任务。图2-20 程序执行过程 本章小结本章小结本章首先介绍了微机系统的基本组成，本章首先介绍了微机系统的基本组成，包括运算器、控制器、存储器和输入输出包括运算器、控制器、存储器和输入输出等，然后对微机的指令系统进行了一定的等，然后对微机的指令系统进行了一定的介绍，在对微机的总线系统和接口系统进介绍，在对微机的总线系统和接口系统进行较详细描述后，最后给出了微机系统的行较详细描述后，最后给出了微机系统的工作原理。通过对本章的学习，应对微机工作原理。通过对本章的学习，应对微机的基本组成和原理有所掌握，从而为后面的基本组成和原理有所掌握，从而为后面的学习奠定良好的理论基础。的学习奠定良好的理论基础。
