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计算机的基本组与工作原理

第一章 计算机的基本组成与工作原理

一、中央处理器(CPU)

1、运算器

(1)作用：运算器主要完成算术运算和逻辑运算，实现对数据的加工与处理。

(2)主要组成：

①算术逻辑运算单元(ALU)：主要用于完成加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等逻辑运算，以及移位、求补等操作。

②标志寄存器：用于存放算术、逻辑运算过程中产生的状态信息。

③累加器(ACC)：用于暂存运算结果以及向ALU提供运算对象。

2、控制器

(1)作用：发出指令脉冲，控制机器各个部件协调一致地工作。

(2)基本功能：从内存取指令和执行指令。

(3)工作过程：从内存中取出指令，并指出下一条指令在内存中的位置，将取出的指令送入指令寄存器，启动指令译码器对指令进行分析，最后发出相应的控制信号和定时信息，控制和协调计算机的各个部件有条不紊的工作，以完成指令所规定的操作。

(4)主要组成：

①程序计数器(PC)

②指令寄存器(IR)

③指令译码器：对现行指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成的操作以及寻址方式。

④时序部件：用于产生时序脉冲和节拍电位以控制计算机各部分有序地工作。

⑤状态/条件寄存器：用于保存指令执行完成后产生的条形码。比如：计算是否溢出、结果为正还是为负等。此外，该寄存器还保存中断和系统工作状态等信息。

⑥微操作信号发生器：根据指令提供的操作信号、时序产生器提供的时序信号，以及各功能部件反馈的状态信号等综合特定的操作序列，从而完成对指令的执行控制。

3、寄存器(先解释寄存器)

(1)定义：寄存器是CPU内部的临时存储单元，既可以用来存放数据和地址，也可以用来存放控制信息或CPU工作时的状态。

(2)特点：增加寄存器的数量，就可以使CPU把执行程序时所需的数据尽可能地放在寄存器中，从而减少访问内存的次数，提高其运行速度。但是寄存器的成本很高，因此必须在性能和成本之间取个平衡点。

(3)分类

①累加器：是一个数据寄存器，在运算过程中暂时存放被操作数和中间运算结果，是CPU中使用最频繁的寄存器，但累加器不能用于长时间地保存一个数据。

②指令寄存器：用于存放正在执行的指令。

③标志寄存器：用于记录运算中产生的标志信息，一般存放指令执行结果的状态信息。

典型的标志如下：

*进位标志位(C)：当运算结果最高位产生进位时置“1”。

*零标志位(Z)：当运算结果为零时置“1”。

*符号标志位(S)：当运算结果为负时置“1”。

*溢出标志位(V)：当运算结果溢出时置“1”。

*奇偶标志位(P)：当运算结果中“1”的个数为偶数时置“1”。

④通用寄存器组：运算时用于暂存操作数或地址。在汇编语言中使用通用寄存器可以减少访问内存的次数，提高运算速度。

⑤地址寄存器：包括程序计数器、堆栈计数器、变址计数器、段地址寄存器等。

其中，程序计数器指向下一条要取的指令。

二、总线

1、总线的定义及分类

(1)定义：计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。按照计算机所传输的信息种类计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。机器周期:通常从内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期,(也就是计算机通过内部或外部总线进行一次信息传输从而完成一个或几个微操作所需要的时间时钟周期是基本时间单位时钟周期表示了SDRAM所能运行的最高频率。更小的时钟周期就意味着更高的工作频率。若时钟晶振的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。

如：晶振频率为6MHZ，则时钟周期Tosc=166.7ns。通常把CPU通过总线对微处理器外部(存贮器或I/O接口)进行一次访问所需时间称为一个总线周期。指令周期：是指执行一条指令所占用的全部时间，一个指令周期通常含1~4个机器周期。

)cache的基本原理CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，而cache与主存之间的数据交换是以块为单位。一个块由若干定长字组成的。当CPU读取主存中一个字时，便发出此字的内存地址到cache和主存。此时cache控制逻辑依据地址判断此字当前是否在 cache中：若是，此字立即传送给CPU；若非，则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。目前所有主流处理