汇编语言与计算机原理第三章

第三章计算机硬件系统计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。

本章介绍计算机硬件系统结构及其工作原理。

§3.1 计算机硬件组成及其工作原理一、计算机硬件系统结构计算机硬件是指构成计算机的所有实体部件，包括电子逻辑部件和机械部件，它们都是看得见摸得着的，所以称为“硬件”。

电子计算机自1946年以来，经历了四代发展，但是，其硬件系统结构没有本质的变化，仍然采用当初由冯·诺依曼所提出的体系结构。

这种体系结构如图3.1.1所示。

冯·诺依曼体系结构计算机的硬件系统由五个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

图311 计算机硬件结构模型运算器：进行算术运算和逻辑运算的部件；存储器：用于存储数据和程序；控制器：自动取出存储于存储器中的程序指令，进行指令译码，并根据译码结果向相应执行部件发出执行控制命令；输入设备：输入程序和原始数据；输出设备：输出程序运行结果。

其中运算器和控制器又合称为中央处理器，简称CPU。

一般将运算器、控制器和存储器看作计算机的主机部分，输入设备和输出设备统称为计算机的外部设备二、计算机基本工作原理程序存储控制是冯·诺依曼结构计算机的基本工作原理。

程序存储控制的基本原理是：如果要计算机执行某计算，首先要按照计算步骤编写成程序，再将程序输入到存储器.。

计算机接收到执行命令后自动执行程序。

例如，计算C=A+B，需要执行下面计算步骤：1．输入A、B值；2．计算A+B；3．将计算结果存入C；4．输出C.将上面步骤用计算机语言表达出来，就得到计算C=A+B的程序。

程序中的一条指令对应计算机的一个操作步骤。

写好程序后，将其通过计算机的输入设备输入到计算机存储器存储，然后，给计算机发出执行命令。

计算机接到执行命令，就按照顺序自动逐条执行程序中指令。

计算机执行程序的过程为：1．控制器将一条指令从主存储器取到其指令寄存器；2．控制器的指令译码逻辑电路对指令译码，并将译码结果作为执行控制信号发给相应执行部件；3．相应部件根据控制信号，执行相应操作；4．取下一条指令，重复执行2、3、4。

计算机各个部件之间的有两股信息流：控制信息流和数据信息流。

在图3.1.1中宽的流线代表数据信息流，窄的流线代表控制信息流。

控制信息流是控制器根据指令发出的控制其他部件的操作信号；数据信息流是在指令执行时发生的数据流动。

例如，执行上面A+B程序第一条指令时，控制器根据译码结果向输入设备发出输入控制信号，同时向存储器发出“接收”数据控制信号；输入设备接受到信号后，等待外部输入数据，一旦数据输入完毕，输入数据就存储到相应的内存单元。

接下来，控制器从存储器取出第二条指令，译码后向存储器发出“送数”控制信号，同时向计算器发出“加”操作控制信信号，存储器将变量A、B的值传送到运算器，运算器完成加法运算。

这样一直到执行完程序的最后一条指令。

通过冯·诺依曼结构计算机的程序执行过程，我们可以知道，冯·诺依曼计算机只能一条一条的执行程序指令。

这种工作方式称为串行工作方式，以这种工作方式工作的计算机称为串行计算机。

§3.2 计算机系统总线计算机各个部件之间的连接线路有网状结构和总线结构两种方式。

网状结构线路复杂，现代计算机一般采用总线结构。

所谓总线结构，就是计算机的各个部件都通过一条公共信息通道相连，这条公共信息通道称为系统总线。

采用总线结构不仅降低了计算机的硬件成本，并且提高了信号的传输速率和可靠性。

一、系统总线系统总线由许多条线路组成，每条线路可以传输一位二进制数。

计算机系统总线分为三个部分：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)和控制总线Control Bus)。

1．数据总线数据总线是计算机各个部件之间相互传输数据的通道，例如，CPU和存储器之间的数据传输。

CPU一次可处理的二进制位数称为计算机的字长。

一般，数据总线的导线根数和计算机的字长是一致的，例如，8位字长微机的数据线为8根，16位字长微机的数据线为16根，目32位字长的计算机数据线是32根。

2．地址总线地址总线传输存储单元或外部设备的地址信号。

地址信号可以由CPU发出，也可以由其它控制芯片发出。

地址总线的根数决定了计算机的可寻址空间，也就是计算机存储器的最大容量。

如果计算机的地址总线为N条，其最大内存容量为2N字节，例如Intel8086/8088的地址线有20条，其最大寻址空间为220=1MB。

目前，微机的地址线一般为32根，其寻址空间为232B=4GB。

3．控制总线控制总线是计算机各个部件之间发送或接受控制信号的通道。

控制信号指示部件执行何种操作，例如，CPU 发向存储器的读/写控制信号，指示存储器是接收数据线传送的数据（写操作），还是将存储器中存储的数据发送到数据线（读操作）。

外部设备的输入输出申请也是通过控制总线发给CPU 。

二、总线类型1．以CPU 为中心的双总线结构以CPU 为中心的双总线结构计算机有两条总线：外部设备总线和存储器总线，如图3.2.1所示。

这种总线结构的计算机的外部设备和存储器之间的数据交换要通过CPU 才能完成，由于外部设备和CPU 相比，其工作速度非常慢，在传输数据时CPU 大部分时间处于等待状态，因此不能充分利用CPU 的工作效率。

2．以存储器为中心的双总线结构图3.2.2是以存储器为中心的双总线结构，这种结构计算机的外部设备设备可以直接通过I/O 总线和存储器直接交换数据，在I/O 总线和存储器交换数据,这时CPU 可以继续执行程序，从而提高了CPU 的工作效率。

图3.2.1 以CPU 为中心的双总线结构.. .图3.2.2 存储器为中心的双总线结构3．单总线结构单总线结构计算机只有一条总线，计算机的部件CPU 、存储器和输入输出设备之间的信息交换都通过这条总线，如图3.2.3所示。

由于单总线结构简单，大多数微型计算机都采用这种总线结构。

三、IBM-PC 微机总线IBM-PC 计算机是目前应用最为广泛的微型计算机，自八十年代以来，其CPU 芯片经历了intel 8088，80286，80386，80486，pentium 几代更新，性能不断提高。

随着其CPU 芯片的更新换代，IBM-PC 计算机的总线结构也不断改进。

1．PC 总线：采用Intel8088CPU 的IBM PC 计算机采用PC 总线。

PC 总线地址线20根，数据线8根，CPU工作时钟只有4.77MHZ，数据传输率很低。

图3.2.3 单总线结构2．AT总线和ISA总线：采用Intel80286CPU的IBM—PC AT机型使用的总线称为AT 总线。

AT总线的最大时钟频率为8MHZ，最佳数据传输率20MB/S，数据线16根，地址线24根。

由于IBM公司对AT总线没有做技术说明，Intel等几家公司提出了与AT总线相类似的ISA总线规范。

3．MCA总线和EISA总线：Intel80386CPU推出后，IBM公司为采用80386CPU的PS/2机型设计了新总线，称为微通道结构(Micro Channel Architecture，MCA)总线。

MAC 总线将数据线和地址线都增加到32条，时钟频率提高到10MHZ，并且进行了微小化设计。

由于IBM公司对MAC总线技术加以控制，一些公司将ISA总线进行扩展，提出并设计了EISA总线。

EISA总线是支持80386CPU的32位总线，许多方面与MCA的设计理论相似。

EISA总线数据传输率可达33MB/S。

由于EISA总线较为昂贵，它主要用于高性能的服务器。

MCA总线和EISA总线都支持多处理器系统。

5．VESA局部总线(VL-BUS)：计算机图形处理需要提高数据传输效率，在一些显示器接口厂商的推动下，研究开发了VESA局部总线。

VL-BUS是为采用Intel80486CPU系统设计的，他有32位和64位两个标准，当其工作在50MHZ频率时，对32位带宽的VL-BUS，数据传输率可达160MB/S。

在80486系统中将显示适配器及其存储器移植到VL-BUS上，解决了图形数据处理系统的瓶颈。

6．PCI局部总线：PCI是周边元件扩展接口(Peripheral Connection Interface)的缩写。

是Intel公司于1992年研制的，PCI总线是32位宽或64位宽，工作频率25MHZ到66MHZ，最大数据传输率可达528MB/S。

PCI和VL-BUS一样都是局部总线设计，与VL-BUS不同的是PCI局部总线并未与微处理器直接连接，而是通过电子桥连接器连接PCI与局部总线。

为了使众多的ISA适配器仍然能够使用，PCI系统使用了一个专门的连接PCI总线和ISA总线的电子桥连接器。

四、主板主板是PC计算机的重要部件。

主板上有连接部件的线路布线，总线控制芯片和逻辑元件，CPU和主存储器的插座、外设接口板插槽。

图3.2.4是典型的PCI/EISA计算机总线系统示意图。

主板控制芯片主要有：1．Cache和主存控制器；2．联接局部总线和PCI总线的桥芯片；3．键盘/鼠标适配器；4．存有计算机启动程序和基本输入输出程序的ROM BIOS；5．含有日历时钟和存储计算机硬件系统参数的CMOS芯片；6．连接ISA和PCI的桥芯片；7．软盘驱动器适配器；8．连接硬盘和光盘驱动器的IDE端口；9．串行通讯端口；10．游戏端口。

图3.2.4 PCI/EISA计算机系统示意图。

§3.3 微处理器微处理器是包含计算机运算器和控制器两个部件的超大规模集成电路芯片，是微型计算机的核心部件。

一、CPU基本结构图3.3.1给出的是微处理器的一般结构模型。

微处理器由若干部件组成，各个部件通过内部总线相连。

内部总线通过微处理器的外部接点连接到系统总线。

微处理器有一个时钟信号输入端，输入固定频率的脉冲信号。

其内部的各部件是在时钟信号的驱动下，按照一定的时序协调的工作。

时钟信号的周期称为机器周期。

微处理器内部主要部件有：1．指令寄存器：用来存储当前要执行的指令码；2．指令译码器：对指令寄存器中的指令译码，将译码结果传输到逻辑控制部件；3．逻辑控制部件：根据译码结果发出执行控制信号；4．程序计数器：程序计数器也称为指令指针(IP)。

当程序开始执行时，程序计数器存放的是待执行程序的第一条要执行指令的地址——程序入口地址；微处理器根据程序计数器指示的指令地址，将指令从存储器取到指令寄存器，然后，程序计数器自动指向下一条指令；5．累加器：数据寄存器，用于存储参加运算的一个操作数或运算结果；6．算术逻辑部件：执行算术运算和逻辑运算；；7．寄存器组：存储数据的一组寄存器，用于微处理器内部运算操作；8．状态寄存器：含有若干位的数据寄存器，每一位有不同的含义，其中一些反映刚刚执行过的算术运算或逻辑运算结果的一些特征，例如进位标志位，反映加法运算时，最高位是否有向前进位，如果有向前进位，该标志位置1，否则置0，再如，溢出标志位，反映运算是否溢出；另外有一些位反映处理机的状态，如，是否允许外部设备中断申请等；9．地址寄存器：保存微处理器当前要访问的内存单元地址，地址寄存器的信号发到系统地址总线。