第3章 计算机系统的组成与工作原理

第三章 计算机系统 的组成与工作原理本章学习目标 理解模型机的结构及工作过程 掌握单片机的结构 掌握单片机I/O口的使用 掌握单片机应用系统的典型构成

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§3.1模型机的结构及工作过程一、模型机的结构简介 模型机的主要构成： 三总线 (地址总线、数据总线和控制总线) 中央处理器(CPU) 存储器 I/O接口

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CPU寄存器组 累加器 累加器A A

总线地 地 址 地址总线AB 址 寄 寄 存 存 器 器 数据总线DB 数据寄存器

存储器地 地 址 址 译 译 码 码、、、

PC PC 程序 程序 计数器

程 序

A A L L U U

指令寄存器 指令译码器微操作信号发生器

指令1 指令2 指令3 指令4 、、、 、、、 数据1 数据2 数据3 、、、

数 据

标 志 标志 寄存器

控制总线CB

器 器

控制电路 控制电路

图3-1 模型机的结构10:15:52

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1、中央处理器的组成 中央处理器(CPU)由运算器和控制器组成。 (1)运算器 定义：运算器是计算机中加工和处理数据 的功能部件。 功能：对数据进行加工处理，主要包括算 术和逻辑运算，如加、减、乘、 与、或、非运算等。另外，还暂时 存放参与运算的数据和中间结果。10:15:524/152

运算器组成部分算数逻辑单元ALU(Arithmetic Logical Unit): 主要完成算术、逻辑运算。 累加寄存器(简称累加器)A:用于存放操作 数或运算结果。 寄存器组：由其它寄存器组成，主要用于存放 操作数或运算结果。 标志寄存器F:存放运算结果的标志(零、正 负、进位、溢出等)。

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(2)控制器

功能：控制器用于控制和指挥计算机内各 功能部件协调动作，完成计算机程序功能。

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控制器组成程序计数器PC(Program Counter):用于存放将要 取出的指令地址，指令取出后，其内容自动加1。 指令寄存器IR(Instruction Register):用于存放指令 的操作码。 指令译码器ID(Instruction Decode):用于将指令的 操作码翻译成机器能识别的命令信号。 微 操 作 信 号 发 生 器 MOSG ( Microoperation Signal Generator):用于产生一系列微操作控制信号。 地址寄存器AR(Address Register):用于存放操作数 或结果单元的地址。 数据寄存器DR(Data Register):用于存放操作数。10:15:527/152

控制器种类根据产生微操作控制信号的方式不同 组合逻辑控制型 存储逻辑型 组合逻辑 存储逻辑结合型 根本区别在于微操作信号发生器的实现方法不同.

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组合逻辑型控制器 优点：其微操作信号发生器是由门电路组成的 复杂树状网络构成的。最大优点是速度快。 缺点：微操作信号发生器结构不规整，设计、 调试、维修较困难，难以实

现设计自动化。一 旦控制部件构成后，难以增加新的控制功能。 目前仅有一些巨型机和RISC机为追求高 速度仍采用组合逻辑控制器。

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存储逻辑型控制器优点：采用存储逻辑来实现，即把微操作信号 代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序， 存入控制存储器中，微操作控制信号由微指令 产生。 它具有设计规整，调试、维修、更改、扩充指 令都方便的优点，易于实现自动化设计，已成 为当前控制器的主流。 缺点：由于它增加了一级控制存储器，所以指 令的执行速度比组合逻辑控制器慢。

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PLA控制器组合逻辑与存储逻辑结合型的控制器称为PLA 控制器，它是吸收前两种控制器的设计思想来 实现的。 PLA控制器实际上也是一种组合逻辑控制器， 但它又与常规的组合逻辑控制器的硬连结构不 同，它是程序可编的，某一微操作控制信号由 PLA的某一输出函数产生。 PLA控制器是组合逻辑技术和存储逻辑技术结 合的产物，它克服了两者的缺点，是一种较有 前途的方法。10:15:5211/152

图3-2 微操作信号发生器的基本结构示意图

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2、存储器的结构 功能：主要用于保存程序和数据。 组成部分：包含地址译码器、存储单元和 控制逻辑。

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存储器访问过程 (1)读操作 CPU首先将地址寄存器AR的内容放到地址 总线AB上，地址总线上的内容进入地址译 码器，由地址译码器进行译码，选通相应 的存储单元。被选通的存储单元的内容就 出现数据总线上，在控制信号的作用下， CPU从数据总线上读取数据到数据寄存器 DR,从而完成存储器的读操作。10:15:5214/152

(2)写操作 CPU将地址寄存器AR的内容送到地址总线 AB上，地址总线上的内容进入地址译码器， 由地址译码器进行译码，以选通相应的存 储单元。在控制信号的作用下，CPU将要 写入的数据通过数据总线写入到被选通的 存储单元，完成存储器的写操作。

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二、模型机的工作过程 工作过程 读取指令 分析指令 执行指令 保存结果 在进行计算之前，应做如下工作：用助记符号指令(汇编语言)编写源程序); 用汇编软件(汇编程序)将源程序汇编成计算 机能识别的机器语言程序； 将数据和程序通过输入设备送入存储器中存放。

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