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第5章 计算机、微型计算机的组成及工作过程

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第5章 计算机、微型计算机的组成及工作过程

课程：1A003 计算机组织与系统结构（第二部分） 来源：田浩然上传的资料

本章概述

本章从冯·诺依曼计算机基本结构出发，系统介绍计算机五大组成部件（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）的功能与工作原理，深入讲解指令执行的完整过程（取指-译码-执行），对比硬布线控制器与微程序控制器两种实现方式，最后介绍微型计算机的特点、分类和主要技术指标。

5.1 计算机的产生与发展

计算机发展的关键里程碑

  • ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）：第一台电子数字积分计算机，概念产生的重要意义
  • EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）：冯·诺依曼结构（stored-program computer，存储程序计算机），首次采用存储程序概念，开创了程序设计时代
  • 4004 微处理器（1971）：世界上第一个微处理器，2250 晶体管，4.2mm × 3.2mm
  • 8008 微处理器（1973）：3500 晶体管
  • Pentium 微处理器（1993）：320 万晶体管
  • Itanium 2：2.14 亿晶体管，1GHz 主频，0.18 微米线宽，328 个寄存器

冯·诺依曼结构的核心贡献：存储程序——将指令和数据一同存入存储器，计算机自动依次取出执行。在此之前的计算机（如 ENIAC）不具备存储程序的功能，需要通过手动接线来编程。

5.2 计算机的组成

5.2.1 冯·诺依曼计算机五大部件

冯·诺依曼计算机由五大部件组成：

输入设备 → 存储器 ↔ 运算器
              ↕
            控制器
              ↕
          输出设备
部件功能
运算器算术运算（加减乘除）和逻辑运算（非与或等）
控制器取指令、分析指令、执行指令，控制各部件协同工作
存储器存放指令和数据
输入设备程序和数据输入
输出设备输出结果

各部件之间通过三组信号连接：

  • 命令和应答信号
  • 状态和请求信号
  • 数据通路（程序数据输入 / 结果输出）

5.2.2 存储器

核心概念区分：地址 vs 内容

  • 计算机中的指令和数据都表现为二进制数码，必须存入存储器的不同区域才能被区分
  • 以字节（或字）为单位将存储器划分为存储单元，每个单元赋予一个序号（从零开始的无符号整数），称为存储单元的地址
  • 存储单元中存放的数据或指令称为存储单元的内容
  • 地址是识别不同存储单元的唯一标识

关键要点：

  • 地址的位数由控制器地址线的位数确定
  • 如果控制器有 n 条地址线，最多能管理 2ⁿ 个存储单元
  • 按字节编址时，每个存储单元存放 8 位二进制数
  • 每个存储单元的地址都是唯一的
  • 读写存储器时必须先给出地址，然后才能访问内容
  • 地址和内容都是二进制码，但完全是两个不同概念——类比高级语言中的变量名和变量值

5.2.3 运算器

组成结构：

  • ALU（Arithmetic Logic Unit，算术逻辑部件）：核心部件，完成算术运算和逻辑运算
  • X、Y 寄存器：ALU 的输入寄存器（数据暂存器）
  • Z 寄存器：ALU 的输出寄存器
  • 累加器
  • 通用寄存器组：R0、R1、…、Rn-1
  • 标志寄存器 F（Flags）：存放运算结果状态
    • 结果是否为零（ZF）
    • 是正还是负（SF）
    • 有无进位（CF）
    • 是否溢出（OF）
    • 等等

工作过程：

  • ALU 对 X、Y 中的数据进行运算，结果送到 Z
  • X、Y 中的数据可来自通用寄存器，也可来自存储器
  • Z 中的数据可送往通用寄存器，也可送往存储器

5.2.4 控制器

六大组成部分：

部件全称功能
IRInstruction Register 指令寄存器存放正在执行或即将执行的指令
PCProgram Counter 程序计数器存放下一条指令的存储单元地址，具有自动增量计数功能
MARMemory Address Register 存储器地址寄存器访存时缓存存储单元的地址
MDRMemory Data Register 存储器数据寄存器访存时缓存对存储单元读/写的数据
IDInstruction Decoder 指令译码器对 IR 中的指令进行译码，确定是哪一条指令
控制电路—产生时序脉冲信号，在时序脉冲同步下发出操作控制命令

5.2.5 微型计算机的组成

微型计算机 = CPU + 存储器 + I/O 接口 + 输入/输出设备
  • 主机：包含除输入/输出设备以外的所有部件，能独立工作

三大系统总线：

总线全称方向功能
ABAddress Bus 地址总线单向（CPU→其他）传输地址，选择要访问的存储单元或 I/O 端口
DBData Bus 数据总线双向传输数据，CPU↔存储器/IO 之间双向流动
CBControl Bus 控制总线部分单向部分双向传输控制信号、时序信号、状态信号等

地址总线、数据总线、控制总线通常统称为系统总线（System Bus）。

5.3 指令系统与程序示例

指令格式示例（简化模型）

每条机器指令 2 个字节：

  • 第一个字节：高 4 位 = 操作码，低 4 位 = 寄存器号（或 0000）
  • 第二个字节：存储单元地址

四条示例指令

汇编指令操作码功能
LOAD R1, M10000将 M1 的内容送入 R1
ADD R1, M20001R1 的内容加上 M2 的内容，结果送回 R1
STORE M3, R10010将 R1 的内容送入 M3 中
JMP L0011无条件转向 L 处继续执行

程序示例：(M1) + (M2) → (M3)，然后跳转到 L

汇编语言程序        机器语言程序（二进制）        功能
─────────────────────────────────────────────────────
LOAD R1, M1      00001011 00000101       (M1)→R1
ADD R1, M2       00011011 00000110       (R1)+(M2)→R1
STORE M3, R1     00101011 00000111       (R1)→M3
JMP L            00110000 00010001       转 L 处

假设：M1、M2、M3 地址分别为 5、6、7；内容分别为 12、34、0；地址 L 为 17；R1 编号为 1011。

5.4 计算机的工作过程

5.4.1 指令执行的五大步骤

计算机执行程序的过程，就是不断重复”取指令→执行指令”的循环：

  1. 取指令：控制器把 PC 中的指令地址送往 MAR，发读命令；存储器读出指令，经 MDR 送往控制器，保存在 IR 中
  2. 指令译码：ID 对 IR 中的指令进行译码，分析操作性质；控制电路向有关部件发出微命令
  3. 取操作数（如需）：控制器根据指令地址字段形成数据地址，送 MAR，发读命令；数据经 MDR 送往运算器
  4. 执行运算并存结果（如需）：运算器执行运算，结果如需写回存储器，则送地址到 MAR、数据到 MDR，发写命令
  5. 形成下一条指令地址：一条指令执行完毕后，PC 增量形成下一条指令地址（顺序执行），或根据转移指令修改 PC

控制器不断重复上述过程，每重复一次，就执行了一条指令，直到整个程序执行完毕。

5.4.2 机器周期的概念

机器周期定义：计算机通过内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。

取指令的两个机器周期：

以 LOAD 指令为例，取指阶段：

周期步骤操作是否占用内部总线
T1(i)控制器发 PCOUT、MARIN，PC→MAR是
T1(ii)控制器发 M读，存储器→MDR（通过 DBUS）否（走外部数据总线）
T1(iii)控制器发 PC加，PC 自增否
T2(iv)控制器发 MDROUT、IRIN，MDR→IR是

第(i)(ii)(iii)步可在同一个机器周期内完成（前三步不冲突），第(iv)步占用内部总线，需要另一个机器周期。 取指令共需要 2 个机器周期。

5.4.3 各指令的执行过程分析

LOAD R1, M1 执行阶段（2 个机器周期）：

  • T3：IR 地址段→MAR（发 IROUT、MARIN），发 M读，M1→MDR
  • T4：MDR→R1（发 MDROUT、R1IN）

ADD R1, M2 执行阶段（4 个机器周期）：

  • T3：M2→Y
  • T4：R1→内部总线（ALU 的 B 端），ALU 执行加法
  • T5：结果→Z
  • T6：Z→R1

STORE M3, R1 执行阶段（2 个机器周期）：

  • T3：IR 地址段→MAR，R1→MDR
  • T4：发 M写，MDR→M3

JMP L 执行阶段（1 个机器周期）：

  • T3：IR 地址段→PC（即 L→PC）

5.5 控制器的两种实现方式

5.5.1 硬布线控制器（Hardwired Control）

组成：

  • 环形脉冲发生器：循环产生节拍脉冲信号（T1, T2, T3, …）
  • 指令译码器：确定 IR 中存放的是哪一条指令
  • 微命令编码器：在不同节拍脉冲同步下产生相应的微命令信号

工作原理：

  • 用 T_i 表示第 i 个机器周期的节拍脉冲
  • 用操作码编码（如 00、01、10、11 对应 LOAD、ADD、STORE、JMP）
  • 每个微命令 = 若干个 (T_i × 指令操作码) 的逻辑或

示例：MARIN 微命令的逻辑表达式

MARIN = T1 + T3 · (LOAD + ADD + STORE)

即：所有指令的 T1 周期都需要 MARIN，LOAD/ADD/STORE 三条指令的 T3 周期也需要 MARIN。

特点：

  • 优点：指令执行速度快（无需访问控制存储器）
  • 缺点：规整性差、灵活性差（修改指令系统需要重新设计电路）
  • 常用于 RISC 结构的机器中

5.5.2 微程序控制器（Microprogrammed Control）

基本思想（M.V.Wilkes，1951 年提出）：

  • 将指令执行所需的微命令以代码形式编成微指令
  • 微指令事先存放在 CPU 内部的控制存储器（Control Memory，一般为 ROM）中
  • 若干条微指令组成一段微程序，解释执行一条机器指令
  • CPU 执行程序时，从控制存储器中取出微指令，由其包含的微命令控制相关操作

关键概念：

  • 微指令：一条控制信号序列 + 下址字段
  • 微程序：若干条微指令组成，对应一条机器指令的执行
  • 控制存储器：存放全部微程序的 ROM，在 CPU 内部

微指令格式示例（16 位控制信号）：

控制信号排列：

PCOUT MARIN M读 PC加 MDROUT IRIN IROUT PCIN R1IN YIN R1OUT MDRIN M写 add ZOUT End

T1 周期微指令（取指第 1 步）：

1  1  1  1  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0

（发出 PCOUT、MARIN、M读、PC加 四个微命令）

T2 周期微指令（取指第 2 步）：

0  0  0  0  1  1  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0

（发出 MDROUT、IRIN 两个微命令）

特点：

  • 优点：规整性好、灵活性强（修改控制存储器内容即可改变指令系统）
  • 缺点：指令执行速度较慢（每条指令都要启动一串微指令，多次访问控制存储器）
  • 实质：用程序方法产生和组织微命令信号（将程序技术引入 CPU），用存储逻辑控制代替组合逻辑控制（将存储逻辑引入 CPU）

5.6 微型计算机的特点、分类与技术指标

5.6.1 微型计算机的特点

  1. 体积小、重量轻、功耗低
    • 50 年代占地上百平方米、耗电上百千瓦的计算机能力 ≈ 如今一片大规模集成电路
    • MC 68000（16位）：6.25 × 7.14 mm²，功耗 1.2W，功能媲美过去的小型机 CPU
    • Pentium II：750 万晶体管，203 mm²，266 MHz，功耗 38.2W
  2. 可靠性高，使用环境要求低
  3. 软件丰富
  4. 结构设计灵活、便于组装
  5. 价格便宜

5.6.2 微型计算机的分类

按微处理器位数（字长）分类：

  • 4 位机、8 位机、16 位机、32 位机 等
  • 位片式微型计算机：若干个位片组合而成，一片=一位，不同位片数组成不同字长。结构灵活。
    • 典型产品：MC 10800（4位）、AM2900 系列（4位）、F100220 系列（8位）

按组装形式分类：

类型特点典型产品
单片机（Microcontroller）CPU + 存储器 + I/O 接口全部在一块芯片上；容量不大，I/O 不多；嵌入到仪器仪表、家电中实现智能化MCS-51 系列（8031/8051/8751）、MCS-96 系列（8096/8796/8098）、MC 6805、Z8
单板机CPU + 存储器 + I/O 接口全部安装在一块 PCB 上；配有小键盘和数码管；ROM 中装有监控程序TP 801 (Z80)、ET3400 (6800)、KD86 (8086)
多板机各部件在不同 PCB 上，组装在机箱内；可配多种外设和丰富软件；形成完整系统台式 PC 机

5.6.3 主要技术指标

1. 字长

  • 计算机一次最多能处理的二进制数的位数
  • 通常与 CPU 内部寄存器、加法器的位数一致
  • 常见：4位、8位、16位、32位 等
  • 直接影响计算机的规模、造价和运算精度

2. 主存容量

  • 主存储器所能存储的信息总量，一般以字节为单位
  • 微型机主存容量一般可达 512MB，最大允许容量可达 4GB（32位地址空间）

3. 运算速度

  • 早期：综合折算法（加减乘除各占比例折算）
  • 现在普遍采用：MIPS（Million Instructions Per Second，每秒百万条指令）
    • 以加减运算这类短指令为基准
    • 高性能微处理器已达 1000 MIPS 以上

4. 主频率（主频）

  • 主时钟信号的频率，倒数 = 时钟周期
  • 一般来说主频高的计算机运算速度也快
  • 高性能微型机主频已达 3.0 GHz 以上

5. 平均无故障运行时间（MTBF）

  • Mean Time Between Failures
  • 机器工作时间 ÷ 故障次数（统计平均值）
  • 该值越大，可靠性越高
  • 微型机 MTBF 已可达数千甚至上万小时

知识关联

学习要点

  • 冯·诺依曼结构五大部件必须熟记
  • 取指令-执行指令的循环过程是理解计算机工作原理的核心
  • 硬布线 vs 微程序两种控制器的对比是常考点
  • 地址 vs 内容的区别是理解存储器的基础
  • 三大总线（地址/数据/控制）的方向和功能需要明确区分
  • 微程序控制器的本质：用软件思想来做硬件控制

关系图谱

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