微型計(jì)算機(jī)的組成
微型計(jì)算機(jī)以微處理器為核心，其一大特點(diǎn)是采用總線結(jié)構(gòu)，其中三總線結(jié)構(gòu)尤為普遍，如圖1-1所示。MPU（微處理器）是通過(guò)AB（地址總線）、DB（數(shù)據(jù)總線）和CB（控制總線）這三總線與ROM（只讀存儲(chǔ)器）和RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）及I/O（輸入/輸出）接口相連的。在分析微型計(jì)算機(jī)基本工作原理前，先對(duì)各部件進(jìn)行介紹。1．存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器又稱(chēng)內(nèi)存或主存，是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)部件，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)(原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果及最后結(jié)果)。微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器ROM和RAM組成，它們都是采用大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路工藝制成的存儲(chǔ)器芯片，具有體積小、重量輕、集成度高等特點(diǎn)。
只讀存儲(chǔ)器ROM（Read Only Memory）是一種在正常工作時(shí)只讀不能寫(xiě)的存儲(chǔ)器，利用特殊手段將固定程序和常數(shù)寫(xiě)入ROM，一旦寫(xiě)入便能長(zhǎng)期保存(斷電也不丟失)，需要時(shí)即可讀出使用。ROM通常用來(lái)存放不變的程序，如基本I/O程序、監(jiān)控程序、匯編程序、高級(jí)語(yǔ)言/解釋程序等，還存儲(chǔ)各種常用數(shù)據(jù)和表格。ROM的種類(lèi)很多，按照編程方式，只讀存儲(chǔ)器ROM分為掩模ROM、可編程ROM、可擦除EPROM、電擦除E2PROM和閃速存儲(chǔ)器Flash PEROM。Flash PEROM可以在線寫(xiě)入（自動(dòng)擦除），并且可以按頁(yè)連續(xù)字節(jié)寫(xiě)入，讀出速度也很快。
隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory）是一種在正常工作時(shí)既能讀又能寫(xiě)的存儲(chǔ)器．用來(lái)存放用戶(hù)要運(yùn)行的程序及運(yùn)行程序所需的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。RAM中存儲(chǔ)的信息不能長(zhǎng)久保存，停電后便立即消失，因此又稱(chēng)為易失性或易揮發(fā)性存儲(chǔ)器。RAM存儲(chǔ)器的規(guī)格品種也很多，如4KB、8KB、32KB、64KB、256KSB、l MB等等。按照存儲(chǔ)電路的不同，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM又可分為動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）、靜態(tài)RAM（SRAM）。DRAM芯片以MOS管柵極電容是否充有電荷來(lái)存儲(chǔ)邏輯1或0信息，需要外接刷新電路來(lái)周期性地對(duì)其電荷進(jìn)行刷新以維持它所代表的數(shù)據(jù)。SRAM芯片以觸發(fā)器來(lái)存儲(chǔ)邏輯1或0信息，無(wú)需刷新電路。SRAM比DRAM集成度低、成本高、速度快。SRAM和DRAM均為易失性存儲(chǔ)器。
ROM和RAM的主要區(qū)別在于：一是斷電后ROM內(nèi)的信息不丟失，而RAM中的信息立即消失；二是讀／寫(xiě)方式不同，ROM采用特殊方式寫(xiě)入信息，信息寫(xiě)入后只能讀，而RAM既能讀又能寫(xiě)。
ROM和RAM存儲(chǔ)器芯片上的引線通常分為四組：地址線用于向存儲(chǔ)器輸送地址碼；數(shù)據(jù)線是雙向的，傳送對(duì)芯片中某一單元進(jìn)行讀／寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)；控制線用于傳送控制信號(hào)，控制操作是進(jìn)行讀還是進(jìn)行寫(xiě)等等；電源線供給芯片＋5V直流電源。其中地址線及數(shù)據(jù)線的引腳數(shù)與芯片的存儲(chǔ)容量有關(guān)。
地址線越多，存儲(chǔ)容量就越大；數(shù)據(jù)線越多，每個(gè)單元中存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)就越長(zhǎng)。例如，地址線為n條的存儲(chǔ)器芯片的存儲(chǔ)容量為 個(gè)單元，數(shù)據(jù)線的條數(shù)m為每個(gè)單元能存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，則存儲(chǔ)器芯片的存儲(chǔ)容量為2n×mbit，即：
存儲(chǔ)容量=2地址線的條數(shù)×數(shù)據(jù)線的條數(shù)（bit）
如一個(gè)存儲(chǔ)器有16條地址線和8條數(shù)據(jù)線，它的16位地址可得到216個(gè)地址編碼，可尋址216個(gè)單元，即存儲(chǔ)容量為216個(gè)單元，每個(gè)單元8位，則存儲(chǔ)容量為216×8bit。
2．微處理器（MPU）
微處理器MPU是微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和指揮控制中心，其性能決定了微型計(jì)算機(jī)的性能。雖然各種微處理器性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有差異，指令系統(tǒng)也不同，但它們的基本組成相同，都包含有控制器、運(yùn)算器和內(nèi)部總線。微處理器與存儲(chǔ)器之間的結(jié)構(gòu)可參照?qǐng)D1-2。
（1）運(yùn)算器
運(yùn)算器在控制器的控制下對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算或邏輯操作。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元?jiǎng)h、累加器A、通用寄存器PS、暫存器TMP和程序狀態(tài)字PSW等五部分組成。
①算術(shù)邏輯單元ALU： ALU是運(yùn)算器的核心，它以全加器為基礎(chǔ)，并輔以移位和控制邏輯組合而成，在控制信號(hào)的控制下，可進(jìn)行加減乘除等算術(shù)運(yùn)算和各種邏輯運(yùn)算。
②累加器A：A是由觸發(fā)器組成的移位寄存器，在運(yùn)算前存放一個(gè)操作數(shù)，運(yùn)算后存放運(yùn)算結(jié)果。
③暫存器TMP：TMP也是一個(gè)寄存器，用于暫存另一操作數(shù)。
④程序狀態(tài)字PSW：PSW由8位觸發(fā)器組成，存放ALU操作過(guò)程中形成的狀態(tài)。例如：累加器A中的運(yùn)算結(jié)果是否為零，最高位是否有進(jìn)位或借位，低4位向高4位是否有進(jìn)位或借位等等，都在PSW中相應(yīng)位上進(jìn)行標(biāo)志。
⑤通用寄存器PS：PS用于存放操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果。
在運(yùn)算前，將運(yùn)算所需操作數(shù)送入累加器和暫存器，由控制信號(hào)控制ALU進(jìn)行運(yùn)算，把運(yùn)算結(jié)果存放到累加器A，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果設(shè)置程序狀態(tài)字PSW狀態(tài)位的值。
（2）控制器
控制器是發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中樞，控制計(jì)算機(jī)的各部分協(xié)調(diào)工作，用于自動(dòng)執(zhí)行程序。控制器由指令部件、時(shí)序部件和微操作控制部件等三部分組成。
①指令部件：指令部件是用來(lái)讀取指令、分析指令和為完成指令產(chǎn)生控制信號(hào)的邏輯部件，也是控制器的核心。通常，指令部件由程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR和指令譯碼器ID等三部分組成。
②時(shí)序部件：時(shí)序部件由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)脈沖信號(hào)。時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)器的時(shí)鐘脈沖序列，脈沖分配器又稱(chēng)節(jié)拍發(fā)生器，用于產(chǎn)生節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖。
③微操作控制部件 微操作控制部件為指令譯碼器m的輸出信號(hào)配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可和外部進(jìn)來(lái)的控制信號(hào)組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。
計(jì)算機(jī)的工作就是執(zhí)行程序。要執(zhí)行一個(gè)程序必須將該程序放入內(nèi)存，而程序是若干指令的有序排列，要執(zhí)行程序只要從第一條指令開(kāi)始，逐條讀取指令、分析指令、執(zhí)行指令直至執(zhí)行到停機(jī)指令即完成程序。要從內(nèi)存中讀取指令，必須給出內(nèi)存單元的地址，這就需要有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寄存器用來(lái)存放將要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址，這個(gè)寄存器就是程序計(jì)數(shù)器PC。當(dāng)計(jì)算機(jī)根據(jù)PC中地址取出要執(zhí)行指令的一個(gè)字節(jié)后，PC就自動(dòng)加1，指向指令的下一字節(jié)，為機(jī)器下次讀取指令做好準(zhǔn)備。
指令寄存器IR用來(lái)存放從存儲(chǔ)器中取出的當(dāng)前要執(zhí)行指令的指令碼。該指令碼在IR中得到寄存和緩沖后被送到指令譯碼器ID中譯碼，經(jīng)譯碼后就知道該指令所要進(jìn)行的操作，并在時(shí)序部件和微操作控制部件的作用下控制相應(yīng)部件進(jìn)行操作，執(zhí)行指令。
3．I/O接口和外設(shè)
I/O接口是架設(shè)在微處理器和外設(shè)間的橋梁，是一種過(guò)渡的大規(guī)模集成電路芯片。由于大多數(shù)外設(shè)都是機(jī)電型的，工作速度較慢，因此微處理器MPU通常不能和它們直接相連，而是通過(guò)I/O接口和外設(shè)相連，以便實(shí)現(xiàn)速度、電平和信號(hào)性質(zhì)的匹配。
4．地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線
總線是在微型計(jì)算機(jī)各部分之間傳送信息的公共通道，也是溝通微型計(jì)算機(jī)各種器件的橋梁。
（1）地址總線AB
地址總線AB用來(lái)傳送MPU發(fā)出的地址碼，是單向總線。當(dāng)微處理器MPU對(duì)存儲(chǔ)器或外部設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，首先要把存儲(chǔ)單元或外設(shè)的地址碼送到地址總線上選中它，然后進(jìn)行讀寫(xiě)。地址總線條數(shù)由MPU型號(hào)決定，在大部分8位機(jī)中，地址總線通常為16條。
（2）數(shù)據(jù)總線DB
數(shù)據(jù)總線DB用來(lái)傳送數(shù)據(jù)和指令碼，是雙向總線。通過(guò)DB，MPU可將數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器或向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)，也可從存儲(chǔ)器或輸入設(shè)備輸入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線條數(shù)常和所用微處理器字長(zhǎng)相等，但也有內(nèi)部為16位運(yùn)算而外部仍為8位數(shù)據(jù)總線的情況。8位機(jī)中數(shù)據(jù)總線通常有8條。
（3）控制總線CB
控制總線CB用來(lái)傳送MPU發(fā)出的控制信號(hào)、存儲(chǔ)器或外設(shè)的狀態(tài)信號(hào)和時(shí)序信號(hào)等。每根控制總線的信息傳送方向是固定的、單向的，而控制總線作為整體為雙向的，如圖所示？刂瓶偩的條數(shù)因機(jī)器而異，每條控制線最多傳送兩個(gè)控制信號(hào)。
微型計(jì)算機(jī)采用總線結(jié)構(gòu)，使得它能夠十分方便地實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的擴(kuò)充及I/O接口板的增加和減少。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-08
