電腦的基本組成及工作原理-2

1.3電腦的基本組成及工作原理

硬體的基本組成：運算器、控制器、儲存空間、輸入裝置、輸出裝置

其中：運算器和控制器已經整合 稱為CPU

運算器（ALU）：是對資料進行加工處理的組件，它既能完成算術運算又能完成邏輯運算，所以稱為算術邏輯組件

控制器：主要功能是從主存中取出指令並進行分析，控制電腦的各個組件有條不紊地完成指令功能。

儲存空間：由記憶體和外存的儲存空間組成，為了提高整個系統的運行速度，電腦中往往還要設定寄存器、快取等儲存空間

輸入輸出： 是電腦系統與外界交換資訊的裝置，一般通過匯流排和介面將主機與I/O裝置有機地組合在一起。

1.3.1 匯流排

基本概念：匯流排是串連多個裝置的資訊傳送地通道，實際上是一組訊號線，廣義地講，任何串連兩個以上電子元器的導線都可以稱為匯流排，

匯流排通常分為4類：

（1）晶片內匯流排：用於整合電路晶片內部和部分的串連

（2）元件級匯流排：用於一塊電路板內各元器件的串連

（3）內匯流排：又稱系統匯流排。用於電腦各組成部分（CPU、記憶體和介面等）的串連

（4）外部線：又稱通訊匯流排。用於電腦與外設或電腦與電腦之間的串連或通訊。

常見內匯流排標準：（需要補充）

（1）。ISA匯流排，ISA是工業標準匯流排。

24條地址線，16條資料線，控制匯流排。正負5V、正負12V電源和地線

（2）。EISA匯流排：ISA匯流排的升級

（3）。PCI匯流排。PCI匯流排是目前微型機上廣泛採用的內匯流排

常見外匯流排標準

（1）。RS-232C ：是一條串列外匯流排。共3條線（發，收，地）

（2）。SCSI匯流排。小型電腦系統介面，並行外匯流排。廣泛用於串連軟硬磁碟，光碟片，掃描器，

（3）。USB，通用序列匯流排，USB1.0 1.5Mb/s_12Mb/s USB 2.0480Mb/s

最大的優點：支援隨插即用並支援熱插拔。

（4）。IEEE-1394,也是一種串列資料轉送協議，

CPU的組成

CPU主要有4大組件組成：

運算器、控制器件、寄存器組、內部匯流排

運算器（ALU）：主要完成算術運算和邏輯運算。

其中最基本的結構有：算術和邏輯運算單元、累加器（AC）、狀態字寄存器（PSW）、寄存器組和多路轉換器等邏輯組件

寄存器組：用於暫存操作或資料的地址。標誌寄存器也稱為狀態寄存器，用於存放算術、邏輯運算過程中產生的狀態資訊。

累加器：運算器中主要寄存器之一，用於暫存運算結果和ALU提供運算對象

控制器：主要功能是從記憶體中取出指令，並指出下一條指令在記憶體中的位置，將取出的指令送入指令寄存器，啟動指令解碼器對指令進行分析，最後發出相應的控制訊號和定時資訊。

控制器的組成：程式計數器（PC）、指令寄存器(R)，指令解碼器、狀態字寄存器（PSW），時序產生器和微操作訊號發生器。6部分組成。

 

控制器各部分的主要作用

（1）.程式計數器：當程式順序執行時，每取出一條指令，PC內容自動增加一個值，指向下一條要取的指令。當程式出現轉移時，則將轉移地地址送入PC，然後由PC指向新的程式地址

（2）。指令寄存器：存放正在執行的指令

（3）。指令解碼器：對現行指令進行分析。

（4）。時序組件：用於產生時序脈衝和節拍電位以控制電腦各組件有序地工作

（5）。狀態字寄存器：用於儲存指令執行完成後產生的條件碼，例如運算是否溢出，等資訊

（6）微操作訊號發生器：根據指令提供的操作訊號、時序產生提供的時序訊號。它的準系統是從記憶體取指令和執行指令。

**執行指令的步驟

（1）、取指令。控制器首先按程式計數器所指出的指令地址從記憶體中取出一條指令

（2）、指令解碼：將指令的作業碼部分送指令解碼器進行分析，然後根據指令的功能向有關組件發出控制命令。

（4）、按指令作業碼執行：根據指令解碼器分析指令產生的操作命令以及程式狀態字寄存器的狀態，控制微操作形成產生一系列CPU內部的控制訊號和輸出到CPU外部控制信

。在這一系列控制訊號的控制下，實現指令的具體功能

（5）、形成下一條指令地址，若非轉移類指令，則修改程式計數器的內容；若是轉移類指令，

則根據轉移條件修改程式計數器的內容。*

3.寄存器組

寄存器是CPU中的一個重要組成部分，它是CPU內部的臨時儲存單元，在CPU中增加寄存器的數量，可以使CPU把執行程式時所需的資料儘可能地

存放在寄存器中，從而減少訪問記憶體的次數，提高其運行速度。

CPU中的寄存器通常分為：存放資料的寄存器

存放地址的寄存器

存放控制資訊的寄存器

存放狀態資訊的寄存器還有其它寄存器

累加器：累加器是一個資料寄存器，在運算過程中暫時存放被運算元和早間運算結果，不能用於長時間地儲存一個資料

通用寄存器組：通用寄存器組是CPU中的一組工作寄存器，運算時用於暫存運算元或地址

標誌寄存器：標誌寄存器也稱為狀態字寄存器，用於記錄運算中產生的標誌資訊。狀態寄存器中的每一位單獨使用，稱為標誌位，

位的取值反映了ALU當前的工作狀態，可以作為條件轉移指令的轉移條件，典型的標誌位有以下幾種。

進位標誌位(C):當運算結構最高位產生進行時將該位置1

零標誌位（Z）:當運算結果為零時置 1；

符號標誌位（S）：當運算結果為負時置 1；

溢出標誌位（V）：當運算結果產生溢出時置 1；

奇偶標誌位（P）：當運算結果中1 的個數為偶數時置 1；

指令寄存器：指令寄存器用於存放正在運行和指令，指令從記憶體取出後送往指令寄存器，

資料緩衝寄存器（MDR）:用來暫時存放由記憶體儲器讀出的一條指令或一個資料字。

地址寄存器（MAR）:用來儲存當前CPU所訪問的記憶體單元的地址，由於在記憶體和

CPU之間存在著操作速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保持地址資訊，直到記憶體的寫/寫操作完成為止。

4.內部匯流排

CPU內部匯流排將運算器、控制器和寄存器組等串連在一起。

CPU圖解；

 

1.3.3儲存系統

1.儲存空間的分類

（1）。按儲存空間所處的位置可分為記憶體和外存。

(2).按構成儲存空間的材料可分為磁儲存空間、半導體儲存空間和光儲存空間

（3）按工作方式可分為讀寫儲存空間和唯讀記憶體

（4）按訪問方式可分為按地址訪問的儲存空間和內容訪問的儲存空間

（5）。按定址方式分為隨機儲存空間、順序儲存空間和直接儲存空間

2.儲存系統的階層

 

其中快取（cache）的速度最快，其次是主儲存空間（MM）

，處於最底層的是（外儲存空間）速度最慢。

3.主儲存空間

主儲存空間簡稱為主存、記憶體、設在主機或主機板上，用來存放機器當前運行所需要的程式和資料，

主存的組成：主要有 儲存體、控制線程、地址寄存器、資料寄存器和地址解碼

 

儲存體：存入程式和資料的儲存空間

地址寄存器：用來存放由地址匯流排提供的將要訪問的儲存單元的地址碼。地址寄存器的位元N決定了其可定址的儲存單元的個數M，即

M=2的N次方

資料寄存器：用來存放要寫入儲存體的資料或從儲存體中讀取的資料

解碼電路：根據存放在地址寄存器中的地址碼，在儲存體中找到相應

的儲存單元。

控制線路：根據讀寫命令，控制主儲存空間的各部分協作完成相應的操作。

主存效能指標

1. 記憶體容量。

2. 儲存時間

3. 頻寬，頻寬是指儲存空間的資料傳送速率，即每秒傳送的資料位元數。

4. 快取

特點：

Cache位於CPU和主存之間，容量較小，一般在幾KB到幾MB之間

速度一般比主存快5-10倍，

其內容是主存內容的副本

2.Cache的組成

Cache主要有兩部分組成：控制部分和Cache儲存空間部分

控制部分：判斷CPU要訪問的資訊是否在Cache儲存空間中

5. 外儲存空間。速度慢，容量大，持久化儲存

磁碟儲存空間

硬碟

USB移動硬碟

光碟片儲存空間

一種採用聚焦雷射束在盤式介質上非接觸地記錄高密度資訊的儲存裝置

1.3.4輸入、輸出技術

輸入、輸出（I/O）系統是電腦與外界進行資料交換的通道，主機和I/O裝置間不是簡單地用系統匯流排串連起來就可以了，還需要進行

控制.

1. 介面的功能及分類

1）。介面

廣義上講，介面是指兩個相對獨立系統之間的相連部分，也常被稱為介面，由於主機與各種I/O裝置的相對獨立性，它們一般是無法直接相連的，必須經過一個轉換機構，那就是I/O介面電路，簡稱為I/O介面。

 

（1）。地址解碼功能。由於一個電腦系統中串連有多台I/O裝置，相應的介面也有多個，為了能夠進行區別和選擇，必須給它們分配不同的地址碼，這與儲存空間中對儲存單元編址的道理是一樣的

（2）在主機與I/O裝置間交換資料、控制命令及狀態資訊等。

（3）支援主機採用程式查詢、中斷和DMA等訪問方式

2）、按資料傳送的格式可分為並行介面和串列介面

介面與I/O裝置之間均以並行方式傳送資料

串列介面採用串列傳送方式

串列介面與主機之間採用並行方式

總結：並行介面適用於傳輸距離近、速度相對較高的場合，介面電路

相對簡單；串列介面則適用於傳輸距離較遠，速度相對較低的場合。

（2）按主機訪問I/O裝置的控制方式，可分為程式查詢介面、

中斷介面、DMA介面，以及更複雜一些的通道控制器，I/O處理機

（3）按時序控制方式可分為同步介面和非同步介面。

需要說明的是，一個完整的I/O介面不僅包括一些硬體電路，也可能

包括相關的軟體驅動。

1. 主機與外設間的串連方式

在不同的電腦系統中，主機與I/O裝置之間的串連模式可能不同，常見的有匯流排型、星型、通道方式和I/O處理機方式等，其中匯流排方式是互連的基本方式。

匯流排是一組能為多個組件分時共用的資訊傳送線，用來串連多個組件

並為之提供資訊交換通路，所謂共用，是指串連到匯流排上的所有組件都可通過它傳遞資訊，分時性是指某一個時刻只允許一個組件將資料

發到匯流排上，因此，共用是利用分時實現的。

匯流排不僅是一組訊號線，還包括相關協議，由於要實現分時共用，

所以必須制定相應的規則，稱之為匯流排協議，匯流排協議一般包括訊號線定義，資料格式，時序關係、訊號電平和控制邏輯等。

2. I/O介面的編址方式

（1）。與記憶體單元統一編址：

將I/O介面中有關的寄存器或儲存組件看作儲存空間單元，與主存中的儲存單元統一編址，這樣，記憶體位址和介面地址統一在一個公用的地址空間裡。

（2）。I/O介面單獨編址。通過設定單獨的I/O地址空間，為介面中的有關寄存器或儲存組件分配地址碼，需要使用設定專門的IO指令進行訪問，這種編址方式的優點是不佔用主存的地址空間，訪問主存的指令和提供者的指令不同。

4．CPU與外設之間交換資料的方式

1）直接程式控制

直接程式控制方式的主要特點是：CPU直接通過IO指令對IO介面進行訪問操作，主機與外設之間交換資訊的每個步驟均在程式中表示出來，整個的輸入輸出過程由CPU執行程式來完成的，具體實現分為兩種方式：

（1）。立即程式傳送方式。在這種方式下，IO介面總是準備好接收來自主機的資訊，或隨時做準備向主機輸入資料，CPU無須查看介面的狀態，就執行輸入輸出指令進行資料傳送，這種傳送方式又稱為無條件傳送或同步傳送

（2）。程式查詢方式。Cpu通過執行程式查詢外設的狀態，判斷外設是否準備好接收資料或準備好了向CPU輸入的資料。

程式查詢方式的優點：簡單容易實現，降低了CPU的利用率，CPU的大量時間消耗在查詢外設的狀態上，對外部的突發事件無法做出

即時響應。

2）中斷方式

中斷是電腦中的一個重要概念。

定義：在CPU執行程式的過程中，由於某一個外部的或CPU內部事件的發生，使CPU暫時中止正在執行的程式，轉去處理這一事件，當事件處理完畢後又回到原先被中止的程式，接著中止前的狀態繼續

向下執行，這一過程就稱為中斷。

（2）。中斷方式下的資料傳送

當IO介面準備好接收資料或準備好向CPU傳送資料時，就發出中斷訊號通知CPU，對中斷訊號進行確認後，CPU儲存正在執行的程式的現場，轉而執行執行前設定好的IO中斷服務程式。雖然中斷方式可以提高CPU的利用率，能處理隨機事件和即時任務，但一次中斷處理過程需要經曆儲存現、中斷處理和恢複現場等階段，需要執行若干指令才能處理中斷事件，因此，這種方式無法滿足調整的批量資料做著要求，所以引入DMA方式

3）直接儲存空間存取方式

直接記憶體存取方式的基本思想是通過硬體控制實現主存與I/O裝置間的直接資料傳送，資料的傳送過程由DMA控制器進行控制，不需要CPU的幹預，在DMA方式下，由CPU啟動傳送過程，即各裝置發出“傳送一塊資料”的命令，在傳送過程結束時，DMAC通過中斷方式通知CPU進行一些後續處理的工作。

4）通道控制方式

通道是一種專用控制器，它通過執行通道程式進行IO操作的管理，

為主機與IO裝置提供一種資料轉送通道，用通道指令編製的程式存放在儲存空間中，當需要進行IO操作時，CPU只要按約定的格式準備好命令和資料，然後啟動通道即可。