中职教育-微型计算机基本原理与应用(北大第三版)课件：第2章 计算机的基本结构与工作过程01.ppt

X、Y、Z是与ALU不可分的一部分，通常称为ALU的 数据暂存器。
X、Y中的数据可来自通用寄存器，也可来自存储器。 Z中的数据可送往通用寄存器，也可送往存储器。
3.控制器
为了实现对计算机各部件的有效控制，快速准确地取 指令、分析指令和执行指令，控制器通常由 下面几部 分组成：
➢ 指令寄存器IR ➢ 程序计数器PC ➢ 存储器地址寄存器MAR ➢ 存储器数据寄存器MDR ➢ 指令译码器ID ➢ 控制电路
(3) 计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令加以2.2所示。
图2.2 计算机基本组成框图
图2.2表明，程序和数据通过输入设备送入到存储器中； 程序被启动执行时，控制器输出地址及控制信号，并 从相应的存储单元中取出指令送到控制器中进行识别， 分析该指令执行什么运算或操作，然后控制器根据指 令含义发出操作命令。
每个存储单元有一个对应的编号，称为存储单元的地址。 当CPU要访问某个存储单元时，必须首先给出地址，送 入存储器的地址寄存器(MAR)，然后经译码电路选取相 应的存储单元。
从存储单元读出的信息先送入存储器的数据寄存器 (MDR)，再传送给目的部件；写入存储器的信息也要先 送至存储器的数据寄存器中，再依据给定的地址把数据 写入到相应存储器单元中。
R0
Rn-1
内
Y
部
总
X
线
A
B
ALU
F
Z
图 2.4运算器的基本组成
核心部件ALU用于完成算术运算和逻辑运算。
X、Y是ALU的输入寄存器，Z是ALU的输出寄存器。
F用于存放运算结果的状态，例如，结果是否为零，是正 还是负，有无进位，是否溢出等。
ALU的功能是对X、Y中的数据进行运算，并将结果送 到Z。
为了对存储器进行读、写操作，控制器除了要给出地址 外，还要给出启动读、写操作的控制信号。这些控制信 号到底何时发出，要由机器的操作时序决定。
图2.3 计算机存储器的基本结构
2. 运算器
运算器是进行算术运算(如加、减、乘、除等)和逻辑 运算(如非、与、或等)的装置。
通常由算术逻辑部件ALU，专用寄存器X、Y和Z，累 加器，通用寄存器R0、R1、…、Rn-1以及标志寄存器 F组成，如图2.4所示。
第2章
计算机的基本结构与工作过程
本章主要内容
（1）计算机及微型计算机的组成 （2）计算机的工作过程 （3）控制器基本原理
▪ 硬布线控制器原理 ▪ 微程序控制器原理
2.1 计算机的基本结构
2.1.1 冯·
世界上第一台电子计算机ENIAC采用电子管作主要构 成元件，大大提高了运算速度，达到每秒钟完成加法运 算5000次，但它存在一个主要缺陷是不能存储程序。
控制电路负责产生时序脉冲信号，并在时序脉冲的同步 下对有关的部件发出微操作控制命令(微命令），以控制 各个部件的动作。
4. 输入设备和输出设备
输入设备是用来输入数据和程序的装置，其功能是将 外界的信息转换成机内的表示形式并传送到计算机内 部。常见的输入设备有键盘、鼠标、图形数字化仪、 图像扫描仪等等 。
外存用来存放相对来说不经常使用的程序和数据，在 需要时与内存进行成批交换，CPU 不能直接对外存进 行访问。外存的特点是存储容量大，价格较低，但存 取速度较慢。外存通常由磁表面记录介质构成，如磁 盘、磁带等；现在已经出现采用激光技术的光盘作大 容量外存储器。
内存通常由存储体和有关的控制逻辑电路组成。存储 体是由存储元件组成的一个信息存储阵列。存储体中 存放着程序和数据信息，而要对这些信息进行存取， 必须通过有关的控制逻辑电路才能实现。存储体被划 分为若干个存储单元，每个单元存放一串二进制信息， 也称存储单元的内容。
冯·诺伊曼首先提出的“存储程序”的思想，以及由他 首先规定的计算机的基本结构，人们称之为“冯·诺伊 曼计算机结构”。
归纳其基本内容，主要包括以下几点：
(1) 计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输 出设备五个部分组成。
(2) 数据和程序均以二进制代码形式不加区别地存放在存 储器中，存放的位置由存储器的地址指定。
控制 信号
控制电路 指令译码
IR
内
PC
部
存
MAR
总
储
线
器
MDR
图 2.5 控制器的基本组成
IR用于存放正在执行或即将执行的指令；
PC用于存放下一条指令的存储单元地址，它具有自动 增量计数的功能；
MAR用于在访存时缓存存储单元的地址；
MDR用于在访存时缓存对存储单元读/写的数据。
ID用于对IR中的指令进行译码，以确定IR中存放的是哪 一条指令；
例如将某存储单元中存放的数据取出并送往运算器进 行运算，再把运算结果送回存储器的指定单元中；当 指定的运算或操作完成后，将结果通过输出设备送出。
通常将运算器和控制器合称中央处理器CPU 。CPU和 存储器一起构成计算机的主机部分，而将输入设备和 输出设备称为外围设备。
在微型计算机中，往往把CPU制作在一块大规模集成 电路芯片上，称之为微处理器( Microprocessor )。
1. 存储器
存储器是用来存放程序和数据的记忆装置。它是组成 计算机的重要部件，也是使计算机能够实现“存储程 序”功能的基础。
根据存储器和中央处理器的关系，存储器可分为内存 和外存。
内存储器是CPU可以直接对它进行读出或写入(也称访 问)的存储器，用来存放当前正在使用或经常要使用的 程序和数据。它的容量较小，速度较快，但价格较高。
它是由人工设置开关并以插入和拔出导线插头的方式来 编制程序的。编程时需要对大约6000多位开关进行仔细 的机械定位，并用转插线把选定的各个控制部分互连起 来以构成程序序列。这种原始的机械式编程方法显然效 率很低。
图2.1展示了ENIAC的组成及工作情形概貌。
图2.1 世界上第一台电子计算机ENIAC
这 就 是 最 早 的 “ 存 储 程 序 概 念 ” (Stored Program Concept )的产生。
EDVAC计算机由运算器、逻辑控制装置、存储器、 输入设备和输出设备五个部分组成。它采用了“存储 程序”的思想，把数据和程序指令均用二进制代码的 形式存放在存储器中，保证了计算机能按事先存入的 程序自动地进行运算。
输出设备是用来输出数据和程序的装置，其功能是将 计算机内的数据和程序转换成人们所需要的形式并传 送到计算机外部。常见的输出设备有显示器、打印机、 绘图机等。
1944~1945年间，冯·诺伊曼应邀参加ENIAC计算机研 制任务。在研制过程中，他深深地感到ENIAC不能存 储程序这一缺陷，并在1945年由他领导的EDVAC试制 方案中，他作为一位主要倡导者指出：ENIAC的开关 定位和转插线连接只不过代表着一些数字信息，它们 完全可以像受程序管理的数据一样，存放于主存储器 中。