微型计算机系统基本工作原理,1.3 计算机系统的工作原理与组成

1.3计算机系统的工作原理与组成

计算机是一个复杂的系统，并已经发展成为由巨型计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机组成的一个庞大的计算机家族。其每个成员，尽管在规模、性能、结构、应用等方面存在着很大的差异，但它们的基本工作原理与组成是相同的。

1.3.1计算机的基本工作原理

1．计算机的指令系统

指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。指令的数量和类型由CPU决定。一条指令通常由两个部分组成，如图1-7所示。

操作码

操作数

图1-7指令的组成

·操作码：指明该指令要完成的操作的类型或性质，如取数、做加法或输出数据等。操作码的位数决定了一个机器操作指令的条数。当使用定长操作码格式时，若操作码位数为n，则指令条数可有2n条。

·操作数：指明操作对象的内容或所在的单元地址。操作数在大多数情况下是地址码，地址码可以有0～3个，从地址码得到的仅是数据所在的地址，可以是源操作数的存放地址，也可以是操作结果的存放地址。

一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。不同类型的计算机，指令系统的指令条数有所不同。但无论哪种类型的计算机，指令系统都应具有以下功能的指令。

·数据传送指令：将数据在内存与CPU之间进行传送。

·数据处理指令：数据进行算术、逻辑或关系运算。

·程序控制指令：控制程序中指令的执行顺序。例如，条件转移、无条件转移、调用子程序、返回、停机等。

·输入/输出指令：用来实现外部设备与主机之间的数据传输。

·其他指令：对计算机的硬件进行管理等。

2．计算机的工作原理

计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。计算机在工作时，有两种信息在执行指令的过程中流动：数据流和控制流。

数据流是指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令，指挥各部件协调地工作。

下面以指令的执行过程来认识计算机的基本工作原理。指令执行的过程分为以下4个步骤：

(1)取指令。按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。

(2)分析指令。对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数的地址。

(3)执行指令。由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。

(4)一条指令执行完成，程序计数器加1，或将转移地址码送入程序计数器，然后回到(1)。

一般把计算机完成一条指令所花费的时间称为一个指令周期，指令周期越短，指令执行得越快。通常所说的CPU的主频就反映了指令执行周期的长短。

计算机在运行时，CPU从内存读出一条指令到CPU内执行，指令执行完，再从内存读出下一条指令到CPU内执行。CPU不断地取指令、分析指令、执行指令，这就是程序的执行过程。

1.3.2计算机系统的组成

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的。硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础，例如CPU、存储器、输入设备、输出设备等。硬件系统又称为裸机，裸机只能识别由0和1组成的机器代码。软件系统是为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。没有软件的计算机是不能有效地工作的，有了软件的计算机才能存储、处理和检索信息。

在计算机系统中，对于软件和硬件的功能没有一个明确的分界线。软件实现的功能可以用硬件来实现，称为硬化或固化。例如，微机的ROM芯片就是固化了系统的引导程序；同样，硬件实现的功能也可以用软件来实现，称为硬件软化，例如，在多媒体计算机中，视频卡用于对视频信息的处理。现在的计算机一般通过软件来实现。

本章1.4节将简述硬件的基本组成，软件系统将在第2章中介绍。

1.3.3微型计算机系统的分类

微型计算机的产生与发展，形成了它独特的分类。

(1)按组成结构分类。

根据微型计算机的CPU、内存、I/O接口和系统总线组成部件所在的位置可分为单片机和单板机。

·单片机：各组成部分集成在一个超大规模芯片上，具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于控制、仪器仪表、通信、家用电器等领域。单片机的应用属于芯片级应用。

·单板机：各组成部分装配在一块印刷电路板上，单板机结构简单、价格低廉、性能较好，常用于过程控制或作为仪器仪表的控制部件。由于单板机易于使用、便于学习，所以普遍将其作为学习微型计算机原理的实验机型。

(2)按用途分类。

微型计算机按用途可分为台式机、便携式计算机、手持式计算机等。