清华大学微机原理-微型计算机的基本工作原理.ppt

* * 2007. 6. 13 微型计算机原理及应用 2 3 微型计算机的基本结构 微型计算机的基本工作原理 微型计算机的常用术语 1 微型计算机的工作原理 位(bit)——计算机所能表示的最基本、最小的数据单元。1个二进制位有两种状态“0”和“1” 字(word) ——计算机内部进行数据处理的基本单位，与寄存器、ALU宽度一致每一个字所包含的二进制位数称为字长 字节(byte) ——8个Bit组成一个字节,存放相邻的8位二制数.字节的长度固定 指令(instruction) 程序(program) 指令系统(instruction set) 1 微型计算机常用的术语 2 微型计算机的基本结构 微型计算机的基本组成如图所示： CPU是微机的核心部件,具有运算和控制功能 组成： 算术逻辑单元ALU(arithmetic logic unit) 寄存器(register)组 控制器(control unit) 2.1 CPU 总线是把计算机各部分有机地连接起来的一组并行导线，是各个部分之间进行信息交换的公共通道 微机的三总线： 数据总线DB 在CPU与存储器和CPU与I/O接口之间双向传送数据.其条数决定了每一次能同时传送的二进制数的位数。如：8088的数据总线为8条，一次能够传送8位二进制数，用D7～D0表示 2.2 总线 地址总线AB 传送CPU发出的地址，以寻址存储单元或I/O端口。AB的宽度决定了计算机系统能够使用的最大的存储器容量。如：地址总线为20条，用A19～A0表示，可寻址220=1M的存储空间 控制总线CB 向计算机系统的各部件发送操作命令和定时信息。带有上横线的表示低电平有效,无上横线的表示高电平有效 如：ALE(address latch enable)、INTR高电平有效，MEMW、MEMR、IOR、IOW、INTA低电平有效 2.3 存储器(memory) 1. 存储器单元的地址和内容 2. 存储器的分类 存储器分为内部存储器和外部存储器两大类，分别简称为内存和外存，外存也叫辅存，内存也叫主存。程序和数据以文件的形式保存在外存中，要执行的程序和要使用的数据必须事先调入内存。为了加快CPU访问内存的速度，从而提高程序的运行速度，在内存和CPU之间或者CPU内部增加了存取速度较高的高速缓冲存储器，即cache。为了扩充内存容量，还将外存作为内存的辅助，给用户提供比内存大得多的逻辑存储容量，这就是所谓的“虚拟存储器”。 ①虚拟存储器 人们通常所指的内存是由“内存条”组成的物理存储器，物理存储器是由地址总线直接访问的存储空间，其地址称为物理地址。显然，地址总线的条数决定了物理存储器即内存的最大容量。 虚拟存储器是相对物理存储器而言的，虚拟存储器是指程序使用的逻辑存储空间，它可以比物理存储空间大得多。虚拟存储器由内存、辅存和管理部件共同组建。通过管理软件达到内存和辅存密切配合，使整个存储系统的速度接近内存、容量接近辅存。当应用程序访问虚拟存储器时，必须给出虚拟地址即逻辑地址，在此过程中，先通过硬件和软件找出逻辑地址到物理地址之间的对应关系，判断要访问的是否已装入内存，如已装入则直接访问内存，否则，相应的硬件和管理软件会将要访问的有关数据块从辅存调入内存，与此同时将内存中原有的暂时不使用的某数据块调回辅存，并且将虚拟地址转变为物理地址。 ②高速缓冲存储器 高速缓冲存储器即高速缓存Cache是使用速度与CPU相当的静态随机读/写存储器芯片组成的小容量存储器，用来存放微处理器最近要用的指令和数据。 Cache中的内容其实是内存中一小部分内容的复制品，内存中经常被微处理器使用到的一部分内容要烤页到Cache中，并不断地更新Cache中的内容，使得Cache中总是保存有最近经常被微处理器使用的一部分内容。 Cache中存放的内容除了内存中的指令和数据外，还要存放这些指令和数据在内存中的对应地址。当微处理器存取指令和数据时，Cache截取微处理器送出的地址，并判别这个地址与Cache中保存的地址是否相同。若相同，则从Cache中存取该地址中的指令或数据；否则就从内存中存取。 3. 存储器的操作 CPU对存储器的操作有读和写两种，读操作是CPU将存储单元的信息取到CPU内部，而写操作是CPU将其内部的信息传送到存储单元保存。写操作要改变被写存储单元的内容，而读操作则不改变被读存储单元的内容。向存储单元存放或取出信息，都称为访问存储器。访问存储器时，先由地址译码器将送来的单元地址进行译码，找到相应的存储单元；再由读写控制电路，根据送来的读或写