《微机原理与接口技术》第一章

《微机原理与接口技术》第一章

• 处理器
• 处理器性能参数
• 摩尔定律
• 处理器总线
• 80x86系列处理器
• 冯·诺伊曼计算机的基本思想
• 处理器的主要功能
• 存储器
• 计算机系统的层次结构
• 软件与硬件的等价性原理
• 计算机的结构、组成与实现
• 软件兼容与系列机和兼容机

本总结笔记基于钱晓捷老师的《微机原理与接口技术（第五版）》

处理器

• 计算集的运算和控制核心，即中央处理单元（CPU, Central Process Unit）
• 微处理器(Micrprocessor):
  • 一块大规模集成电路芯片
  • 代表着整个微型机系统的性能
  • 微型机：采用微处理器为核心构造的计算机

处理器性能参数

• 字长：处理器每个时间单位可以处理的二进制数据位数
• 时钟频率：表明处理器的处理速度，反映了处理器的基本时间单位
• 集成度：表明处理器的生产工艺水平，通常用芯片上集成的晶体管数量来表达

摩尔定律

摩尔定律：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半

处理器总线

• 系统总线：
  • 用于多个部件相互连接、传递信息的公共通道
  • 任一时刻再总线上智能传送一种信息，但可以由多个部件在接收信息
• 数据总线：
  • 是处理器与存储器或外设交换信息的通道
  • 其个数（条数）就是一次能够传送数据的二进制位数，通常等于处理器字长
  • 处理器的数据通过该组信号线输出到主存或外设，可以双向传输信号
• 地址总线：
  • 用于指定存储器或外设的具体单元
  • 其个数反映处理器能够访问的主存储器容量或外设范围
  • 在该组信号线上，处理器单向输出将要访问的主存单元或I/O端口的地址信息
• 控制总线：
  • 用于协调系统中各部件的操作
  • 控制总线决定了总线的功能强弱、适应性的好坏
  • 各类总线的特点主要取决于其控制总线

80x86系列处理器

• 8086：
  • 主存容量为2^20 B = 1 MB
• 80286:
  • 主存容量为2^32 B = 4 GB

冯·诺伊曼计算机的基本思想

• 采用二进制形式表示数据和指令，指令由操作码和地址码组成
  • 指令是控制计算机操作的命令，是处理器不需要翻译就能识别（直接执行）的“母语”，即机器语言
  • 程序是由指令构成的
  • 指令的操作码表明指令的操作
  • 操作数是参与操作的数据，主要以寄存器或存储器地址形式指明数据的来源，所以也称地址码
• “存储程序”、“程序控制”
  • 存储程序：把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，这些指令按一定的规则组成程序
  • 程序控制：当计算机启动后，程序会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务
• 指令的执行是顺序的，即一般按照指令再存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现
• 计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备5大基本部件组成。

数字计算机中信息的最基本单位就是二进制位，或称比特位。

• 半字节：4个二进制位
• 一字节：8个二进制位
• 字：16位
• 双字：32位
• 四字：64位

处理器的主要功能

• 取指：从主存储器读取指令
• 译码：翻译指令代码的功能
• 执行：执行指令所规定的操作

存储器

• 存储器：用来存放程序和数据的部件
• 主存储器：
  • 造价高、速度快、容量小
  • 用来存放当前正在运行的程序和正待处理的数据
• 辅助存储器（简称辅存或外存）:
  • 造价低、容量大、信息可长期保存、速度慢
  • 主要用来长久保存程序和数据

计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构

• 用户层：
  • 是计算机用户看到的计算机
  • 呈现给用户的是可执行程序和数据文件
• 高级语言层：
  • 面向软件程序员
• 汇编语言层：
  • 面向系统程序员
  • 汇编语言程序员需要利用操作系统提供的功能，掌握指令系统，理解主存储器的组织
• 操作系统层：
  • 操作系统是最主要的系统程序，也称为系统软件层
• 机器语言层：
  • 由处理器直接识别的指令组成，面向系统结构设计师
  • 该层具有承上启下的功能。一方面为上层软件提供硬件指令支持，另一方面是下层硬件实现的目标
• 控制层：
  • 面向硬件设计师
  • 这一层由微程序实现，也可以由硬布线实现
• 数字电路层：
  • 是计算机的具体物理实现

软件与硬件的等价性原理

• 原则上说，任何一个由软件所完成的操作也可以直接由硬件来实现，任何一条由硬件所执行的指令也能用软件来完成。
• 软件与硬件的等价性原理是指软硬件在逻辑功能上的等价，并不意味着在现实中性能和成本的等价。
  • 软件易于实现各种逻辑和运算功能，但是往往速度较慢，甚至不能满足时间要求
  • 硬件则可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，甚至无法实现

计算机的结构、组成与实现

• 计算机结构：
  • 计算机结构是指为机器编写正确的（时间无关的）程序、机器语言程序员必须理解的一种结构。
  • 指令集结构：
    • 计算机结构的经典定义确定了计算机系统中软件和硬件的接口，即指令集结构
    • 它包括指令集（指令系统）、指令格式、数据类型、寄存器、寻址方式、主存访问方式和I/O机制等
• 计算机组成：
  • 也称为计算机组织，是计算机结构的逻辑实现（逻辑设计），对应计算机层次结构的控制层。
• 计算机实现：
  • 是计算机组成物理实现，对应数字电路层

软件兼容与系列机和兼容机

• 软件兼容：指同一个厂家生产的具有相同计算机结构，但具有不同组成和实现的一系列不同档次、不同型号的机器。
• 兼容机：指不同厂家生产的具有相同计算机结构（不同的组成和实现）的计算机
• 为了保证软件的向上向下、向前向后兼容，系列机和兼容机必须保持结构不变，但这又限制了计算机结构的发展