微机原理之计算机系统导论

1.1计算机发展概况

第一代：电子管计算机
第二代：晶体管计算机
第三代：集成电路计算机
第四代：大规模、超大规模集成电路计算机

1.2 微型计算机硬件系统

1.2.1 冯.诺依曼体系结构计算机

  到目前为止，计算机仍沿用1940年由冯.诺依曼首先提出的体系结构。其基本设计思想为：
① 以二进制形式表示指令和数据。
② 程序和数据事先存放在存储器中，计算机在工作时能够高速地从存储器中取出指令加以执行。
③ 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成计算机系统。

1.2.2 总线结构

所谓总线，是计算机中传送信息的公共通道。
三类不同总线：系统总线，片级总线，I/O总线。
根据所传送信息的内容与作用不同，总线可分为三类：地址总线AB(Address Bus); 数据总线DB(Data Bus);控制总线CB(Control Bus)

1. 地址总线AB：在对存储器或I/O端口进行访问时，传送 由CPU提供的要访问存储单元或I/O端口的地址信息，以便选中要访问的存储单元或I/O端口，是单向总线。

2. 数据总线DB：从存储器取指令或读写操作数，对I/O端口进行读写操作时，指令码或数据信息通过数据总线送往CPU或由CPU送出，是双向总线。

3. 控制总线CB：各种控制或状态信息通过控制总线由CPU送往有关部件，或者从有关部件送往CPU。CB中每根线的传送方向是一定的.

   采用总线结构时，系统中各部件均挂在总线上，可使微机系统的结构简单，易于维护，并具有更好的可扩展性。一个部件（插件），只要符合总线标准就可以直接插入系统，为用户对系统功能的扩充或升级提供了很大的灵活性。

1.3 微处理器

下图为一个简化的微处理器模型（虚线框内），由运算器、控制器和内部寄存器三部分组成。

1.3.1 运算器

 运算器又称算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)，用来进行算术或逻辑运算操作。

1.3.2 控制器

控制器又称控制单元CU(Control Unit)，是全机的指挥控中心。负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向全机发出取数，执行，存数等控制命令。包括以下几个部分：

1. 指令寄存器IR(Instruction Register)：用来存放从存储器取出的将要执行的指令码。（内存->数据缓冲寄存器 DR->IR）
2. 指令译码器ID(Instruction Decoder)：用来对指令寄存器IR中的指令操作码字段（指令中用来说明指令功能的字段）进行译码，以确定该指令应执行什么操作。
3. 可编程逻辑阵列PLA(Programmable Logic Array)：用来产生取指令和执行指令所需要的各种微操作控制信号，并经过控制总线CB送往有关部件，从而使计算机完成相应的操作。

1.3.3 内部寄存器

虽然不同计算机的CPU所拥有的内部寄存器会有所不同，但一般至少要有以下寄存器：

程序计数器PC (Program Counter)：即指令指针 IP
地址寄存器AR (Address Register) ：存放正要取出的指令的地址或操作数的地址（PC->AR->内存）
数据缓冲寄存器DR (Data Register)：用来暂存指令和数据，与缓冲的概念相同
累加器A (Accumulator) 
标志寄存器FLAGS（Flag Register）Array)：程序状态字，则是有关标志位的状态来决定程序的流向。
寄存器阵列RA (Register Array)：避免频繁访问存储器

1.3.4 存储器

内存储器（又称为主存或内存）。它是微型计算机的存储和记忆装置，用来存放指令、原始数据、中间结果和最终结果。
在计算机内部，程序和数据都以二进制形式表示，8位二进制代码作为一个字节。为了便于对存储器进行访问，存储器通常被划分为许多单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信息，每个存储单元分别赋予一个编号，称为地址。材料一般为半导体存储器

1.3.4.1 基本概念

     1)位(Bit)：二进制信息的最小单位（0或1）
     2)字节(Byte)：由8位二进制数组成，可以存放在一个存储单元中。
     3)字（Word）：计算机中作为一个整体来处理和运算的一组二进制数，是字节的整数倍。目前为了表示方便，常把一个字定义为16位，把一个双字定义为32位。 
     4)内存容量：内存中存储单元的总数。通常以字节为单位，1024（210）字节记作1KB，220字节记作1MB。
    5)内存单元地址：**为了能识别不同的单元，每个单元都赋予一个编号，这个编号称之为内存单元地址。**
    显然，各内存单元的地址与该地址对应的单元中存放的内容是两个完全不同的概念，不可混淆。 

1.3.4.2 内存的操作（读和写）

1.3.4.2 内存的分类

按工作方式，内存可分为两大类：

    1. 随机读写存储器RAM(Random Access Memory)
    2. 只读存储器ROM(Read Only Memory)。

1. 随机读写存储器可被CPU随机地读写，它用于存放将要被CPU执行的用户程序、数据以及部分系统程序。断电后，其中存放的所有信息将丢失。
2. 只读存储器中的信息只能被CPU读取，而不能由CPU任意地写入。断电后，其中的信息不会丢失。它用于存放永久性的程序和数据。如系统引导程序、监控程序、操作系统中的基本输入/输出管理程序（BIOS）等。

1.3.5 I/O接口与输入输出设备

I/O接口是微型计算机与输入输出设备之间信息交换的桥梁。
I/O设备是微型计算机系统的重要组成部分。程序、数据及现场信息要通过输入设备输入给计算机。计算机的处理结果要通过输出设备输出，以便用户使用。常用的输入设备有：键盘、鼠标、数字化仪、扫描仪、A/D转换器等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、D/A转换器等。

笔记：

1. cpu：运算器+控制器