【文章內(nèi)容簡介】 有三個(gè)進(jìn)位輸出。其中 G稱為進(jìn)位發(fā)生輸出， P稱為進(jìn)位傳送輸出。在電路中，多加這兩個(gè)進(jìn)位輸出的目的是為了便于實(shí)現(xiàn)多片 (組 )ALU之間的先行進(jìn)位，為此，還需一個(gè)配合電路，它稱為先行進(jìn)位發(fā)生器 (CLA)。 內(nèi)部總線： 根據(jù)總線所處位置，總線分為內(nèi)部總線和外部總線兩類。內(nèi)部總線是指 CPU內(nèi)各部件的連線，而外部總線是指系統(tǒng)總線，即 CPU與存儲(chǔ)器、 I/O系統(tǒng)之間的連線。 按總線的邏輯結(jié)構(gòu)來說，總線可分為單向傳送總線和雙向傳送總線。所謂單向總線，就是信息只能向一個(gè)方向傳送。所謂雙向總線，就是信息可以向兩個(gè)方向傳送。換句話說，總線既可以用來發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以用來接收數(shù)據(jù)。 總線的邏輯電路往往是三態(tài)的，即輸出電平有三種狀態(tài)：邏輯 邏輯 0和 浮空狀態(tài)。 運(yùn)算器包括 ALU、陣列乘除器件、寄存器、多路開關(guān)或三態(tài)緩沖器、數(shù)據(jù)總線等邏輯部件?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器大體有如下三種結(jié)構(gòu)形式。 ①單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器； ②雙總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器； ③三總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器。 【考點(diǎn)七】控制器 在 CPU中的位置中央處理器 (CPU)由兩個(gè)主要部分 控制器及運(yùn)算器組成。其中程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器等組成了控制器。它是對計(jì)算機(jī)發(fā)布命令的 決策機(jī)構(gòu) ，協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作，因此，它處于 CPU中極其重要的位置。在 CPU中，除算術(shù)邏輯單元 (ALU)及累加器外，尚有下列邏輯部件： (1)緩沖寄存器 (DR)緩沖寄存器用來暫時(shí)存放由內(nèi)存儲(chǔ)器讀出的一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字；反之，當(dāng)向內(nèi)存存入一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí)，也暫時(shí)將它們存放在這里。緩沖寄存器的作用是： ①作為 CPU和內(nèi)存、外部設(shè)備之間信息傳送的中轉(zhuǎn)站； ②補(bǔ)償 CPU和內(nèi)存、外部設(shè)備之間在操作速度上的差別； ③在單累加器結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器中，緩沖寄存器還可兼作為操作數(shù)寄存器。 (2)指令寄存器 (IR) 指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。指令劃分為操作碼和地址碼字段，它們由二進(jìn)制數(shù)字組成。為執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進(jìn)行譯碼，以便指出所要求的操作。 指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。操作碼一經(jīng)譯碼后，即可向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號。 (3)程序計(jì)數(shù)器 (PC) 為了保證程序能夠連續(xù)地執(zhí)行下去， CPU必須具有某些手段來確定下一條指令的地址。而程序計(jì)數(shù)器 (PC)正是起到這種作用，所以通常又稱其為指令計(jì)數(shù)器。 (4)地址寄存器 (AR)地址寄存器用來保存當(dāng)前 CPU所要訪問的內(nèi)存 單元的地址。由于在內(nèi)存和 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信息，直到內(nèi)存讀 /寫操作完成為止。 (5)累加寄存器 (AC) 累加寄存器 AC通常簡稱為累加器。它的功能是：當(dāng)運(yùn)算器的算術(shù) /邏輯單元 (ALU)執(zhí)行全部算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)，為 ALU提供一個(gè)工作區(qū)。例如，在執(zhí)行一個(gè)加法前，先將一個(gè)操作數(shù)暫時(shí)存放在 AC中，再從存放中取出另一個(gè)操作數(shù)，然后同 AC的內(nèi)容相加，所得結(jié)果送回 AC中，而 AC中原有的內(nèi)容隨即被破壞。顧名思義，累加寄存器用來暫時(shí)存放 ALU運(yùn)算的結(jié)果信息。顯然，運(yùn)算器中至少要有 一個(gè)累加寄存器。 由于運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)不同，可采用多個(gè)累加寄存器。 (6)狀態(tài)寄存器 (SR) 狀態(tài)寄存器保存由算術(shù)指令和邏輯指令運(yùn)行或測試結(jié)果建立的各種狀態(tài)碼內(nèi)容。 (7)操作控制器 操作控制器的功能，就是根據(jù)指令操作碼和時(shí)序信號，產(chǎn)生各種操作控制信號，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。 根據(jù)設(shè)計(jì)方法不同，操作控制器可分為組合邏輯型、存儲(chǔ)邏輯型、組合邏輯與存儲(chǔ)邏輯結(jié)合型三種。第一種稱為常規(guī)控制器，它是采用組合邏輯技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的；第二種稱為微程序控制器，它是采用存儲(chǔ)邏輯來實(shí)現(xiàn)的；第三種稱為 PLA控制器，它是吸收前兩種的設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)的。 (8)時(shí)序產(chǎn)生器 CPU中除了操作控制器外，還必須有時(shí)序產(chǎn)生器，因?yàn)橛?jì)算機(jī)高速地進(jìn)行工作，每一動(dòng)作的時(shí)間是非常嚴(yán)格的，不能有任何差錯(cuò)。時(shí)序產(chǎn)生器的作用，就是對各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制。 運(yùn)算器包括 ALU、累加器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)寄存器，而控制器的核心是操作控制器，圍繞它的有程序計(jì)數(shù)器 (PC)、指令寄存器 (IR)、指令譯碼器 (ID)和時(shí)序產(chǎn)生器。 【考點(diǎn)八】存儲(chǔ)器 (1)存儲(chǔ)器的基本組成部分 主存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)體、地址譯碼電路、驅(qū)動(dòng)電路、讀寫電路和控制電路等組成。主存儲(chǔ)器主要功能是： ①存儲(chǔ)體：是信息存儲(chǔ)的集合體，由某種存儲(chǔ)介質(zhì)按一定結(jié)構(gòu)組成的存儲(chǔ)單元的集合。通常是二維陣列組織，是可供 CPU和計(jì)算機(jī)其他部件訪問的地址空間。 ②地址寄存器、譯碼電路與驅(qū)動(dòng)器：即尋址系統(tǒng)，將 CPU確定的地址先送至地址寄存器中，然后根據(jù)譯碼電路找到應(yīng)訪問的存儲(chǔ)單元。在存儲(chǔ)與譯碼器之間的驅(qū)動(dòng)器的功能是減輕譯碼線驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。由于一條譯碼線需要 與它控制的所有存儲(chǔ)單元相聯(lián)，其負(fù)載很大。需要增加驅(qū)動(dòng)器，以譯碼線連接驅(qū)動(dòng)器的輸入端，由驅(qū)動(dòng)器的輸出端控制連接在譯碼線上的所有存儲(chǔ)單元。 ③讀寫電路與數(shù)據(jù)寄存器：根據(jù) CPU的命令，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中寫入存儲(chǔ)體中特定的存儲(chǔ)單元或?qū)⒋鎯?chǔ)體中指定單元的內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)寄存器中。 ④控制電路：接收 CPU傳來的控制命令，經(jīng)過控制電路一系列的處理，產(chǎn)生一組時(shí)序信號控制存儲(chǔ)器的操作。 在存儲(chǔ)器的組成中，存儲(chǔ)體是核心，其余部分是存儲(chǔ)的外圍線路。不同的存儲(chǔ)器都是由這幾部分組成，只是在選用不同的存儲(chǔ)介質(zhì)和不同的存取方式時(shí)，各部分的 結(jié)構(gòu)與工作方式略有變化。 (2)存儲(chǔ)體陣列 計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的是 0和 1的信息，每一個(gè)能存取一位二進(jìn)制并能保持兩種狀態(tài)的元件稱為記憶元件。若干記憶元件組成存儲(chǔ)單元，一個(gè)存儲(chǔ)單元能夠存取一個(gè)或幾個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制信息。每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)地址編號，用以唯一標(biāo)識存儲(chǔ)單元的位置。信息按地址存入指定的存儲(chǔ)單元中，按地址從指定的存儲(chǔ)單元中取出。存儲(chǔ)單元的集合稱為存儲(chǔ)體。由于存儲(chǔ)體中存儲(chǔ)單元的每個(gè)二進(jìn)制位必須并行工作，因此將存儲(chǔ)單元按其地址的順序組成存儲(chǔ)陣列。 (3)存儲(chǔ)器的地址譯碼系統(tǒng) CPU要訪問存儲(chǔ)單元的地址 由地址總線輸入到地址寄存器中。地址譯碼器將地址轉(zhuǎn)換為對應(yīng)地址線 (字線 )上的控制信號，以表示選中某一單元，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的讀寫電路，完成對存儲(chǔ)單元的讀寫操作。 地址譯碼為兩種方式：一種是單譯碼方式，僅有一個(gè)譯碼器。譯碼器輸出的每條譯碼線對應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)單元。如地址位數(shù) N=10，即譯碼器可以有 210=1024種狀態(tài)，對應(yīng)有 1024條譯碼線 (字線 )即 1024個(gè)存儲(chǔ)單元。另外一種是雙譯碼方式，將譯碼器分成 X向和 Y向兩個(gè)譯碼器，通過雙譯碼器的相互作用確定存儲(chǔ)單元的地址。 設(shè)地址長度 n仍為 10，將其中的前 5位輸入到 X地址譯碼器中，譯出 X0到 X31譯碼線，分別選擇 0～ 31行。將后 5位輸入到 Y地址譯碼器中譯出 Y0到 Y31譯碼線，分別選擇 0～31列。 X向譯碼器和 Y向譯碼器引出的地址線都是 25=32條。若采用 X向和 Y向交叉選擇，可以選擇從存儲(chǔ)單元 (0， 0)至 (31， 31)共 25 25=1024個(gè)存儲(chǔ)單元地址。即同樣可以提供 1024種狀態(tài)，而地址線只需要 64條，比單譯碼器節(jié)省 %的地址線。 (4)存儲(chǔ)器的讀寫操作在 CPU向存儲(chǔ)體發(fā)生讀操作命令時(shí)，首先由 CPU將相應(yīng)存儲(chǔ)單元的地址碼送至地址寄存器中；地址譯碼器將地址寄存器 中的地址編碼譯成相應(yīng)地址線 (字線 )的高電位，標(biāo)志指定的存儲(chǔ)單元；然后在 CPU的統(tǒng)一控制下，由控制電路將讀命令轉(zhuǎn)換成讀寫電路的操作，執(zhí)行將指定存儲(chǔ)單元的內(nèi)容傳送到數(shù)據(jù)寄存器的操作，完成了整個(gè)存儲(chǔ)器讀的操作。存儲(chǔ)器寫的操作與讀的操作相類似。 不同類型的存儲(chǔ)器根據(jù)其特點(diǎn)有不同的讀寫操作控制電路、控制機(jī)構(gòu)、讀寫電路及地址譯碼器，但它們的基本操作原理大同小異。 、組織及其應(yīng)用 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器有體積小、存取速度快、生產(chǎn)制造易于自動(dòng)化等特點(diǎn)，其性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于磁芯存儲(chǔ)器，因而得到廣泛的應(yīng)用。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的種類很多，就其制造工藝可以分成雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和金屬 氧化物 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 (簡稱 MOS型存儲(chǔ)器 )。 MOS型存儲(chǔ)器按其工作狀態(tài)又可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器必須增設(shè)恢復(fù)信息的電路，外部線路復(fù)雜。但其內(nèi)部線路簡單，集成度高，價(jià)格較靜態(tài)存儲(chǔ)器便宜。因此經(jīng)常用做大容量的 RAM。 靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的主要差別在于：靜態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的信息不會(huì)自動(dòng)消失，而動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的信息需要在再生過程的幫助下才能保持。但無論雙極型或 MOS型存儲(chǔ)器，其保持的信息將隨電源的撤消而消失。 (1)RAM的組織 半導(dǎo) 體 RAM芯片是在半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路工藝支持下的產(chǎn)物。一般計(jì)算機(jī)中使用的RAM芯片均是有自己的存儲(chǔ)體陣列、譯碼電路、讀寫控制電路和 I/O電路。 ① RAM的并聯(lián) 為擴(kuò)展存儲(chǔ)器的字長，可以采用并聯(lián)存儲(chǔ)器芯片的方式實(shí)現(xiàn)。 ② RAM的串聯(lián) 為擴(kuò)展存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元數(shù)量，可以采用多個(gè)芯片地址串聯(lián)的方式解決。 ③地址復(fù)用的 RAM組織 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使得一塊存儲(chǔ)器芯片能夠容納更多的內(nèi)容。其所需地址線隨之增加，為了保持芯片的外部封裝不變，一般采用地址復(fù)用的技術(shù)，采用地址分批送入的結(jié)構(gòu)保證不增加芯片的地址引腳。 (2)RAM的實(shí)際應(yīng)用 由于一個(gè)存儲(chǔ)器的芯片一般不能滿足使用的要求，所以通常將若干個(gè)存儲(chǔ)器芯片按串聯(lián)和并聯(lián)的兩種方式相結(jié)合連接，組成一定容量和位數(shù)的存儲(chǔ)器。 如果設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器容量有 x字，字長為 y，而采用的芯片為 N M位。要組成滿足字長要求的存儲(chǔ)器所需芯片數(shù)為： y/M。根據(jù)容量要求，組成要求容量的 RAM所需芯片數(shù)為： (x/N) (y/M)。 使用時(shí)只讀出不寫入的存儲(chǔ)器稱為只讀存儲(chǔ)器 (ROM)。 ROM中的信息一旦寫入就不能進(jìn)行修改，其信息斷電之后也仍然保留。一般用于存放微程序、固定子程序、字母符號陣列等信息。 ROM和 RAM相比，使用時(shí)不需寫入、再生和刷新等操作，所以其電路比較簡單，但同樣有地址譯碼器、數(shù)據(jù)讀出電路等。制作 ROM的半導(dǎo)體材料有二極管、 MOS電路和雙極型晶體管等。因制造工藝和功能不同，一般分為普通 ROM、可編程 ROM(PROM)、可擦寫可編程 ROM(EPROM)和電可擦寫可編程 ROM(EEPROM)等。 (1)ROM的工作原理 一般的 ROM使用掩模 ROM。這類 ROM由生產(chǎn)廠家做成，用戶不能 加以修改。掩模 ROM的特點(diǎn)是其存儲(chǔ)內(nèi)容出廠時(shí)由生產(chǎn)廠家一次制成，用戶不能對其內(nèi)容進(jìn)行修改，而依賴于生產(chǎn)廠家，這種 RAM適用于定型批量制作。在實(shí)際使用過程中，部分用戶希望自己根據(jù)需要填寫 ROM的內(nèi)容，因此產(chǎn)生可編程 ROM(PROM)。 PROM與掩模 ROM的主要區(qū)別是 PROM在出廠時(shí)其內(nèi)容均為 0或 1，用戶在使用前按照自己的需要利用工具將編碼寫入 PROM中，一次寫入不可修改。 PROM的使用相當(dāng)于由用戶 RAM生產(chǎn)中的最后一道工序 向 RAM中寫入編碼，其余同掩模 RAM的使用完全相同。 (2)EPROM和 EEPROM的工作原理 為了適應(yīng)程序調(diào)試的要求，針對一般 PROM的不可修改特性，設(shè)計(jì)出可以多次擦寫的可編程 ROM(EPROM)。其特點(diǎn)是可以根據(jù)用戶的要求用工具擦去 RAM中原有的存儲(chǔ)內(nèi)容，重新寫入新的編碼。擦除和寫入可以根據(jù)用戶的要求用工具擦去 RAM中原有的存儲(chǔ)內(nèi)容，重新寫入新的編碼。擦除和寫入可以多次進(jìn)行，其信息的內(nèi)容同樣不會(huì)因斷電而丟失。最常見的 EPROM是 UVEPROM，其存儲(chǔ)元件常用浮置柵型 MOS管組成。出廠時(shí)全部置 0或 1，由用戶通過高壓脈沖寫入信息。擦寫時(shí)通過其外部的一個(gè)石英玻璃窗，利用紫 外線的照射，使浮柵上的電荷獲得高能而泄漏，恢復(fù)原有的全 0或 1狀態(tài)，允許用戶重新寫入信息。平時(shí)窗口上必須貼有不透明膠紙，以防光線進(jìn)入而造成信息流失。 另有一種 EPROM是通過電氣方法擦除其中的已有內(nèi)容，也稱為電可擦寫可編程ROM(EEPROM)。 外存儲(chǔ)器是指那些不能被 CPU直接訪問的，讀取速度較內(nèi)存慢，容量比內(nèi)存大，通常用來存放不常用的程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。磁帶、磁盤存儲(chǔ)器是現(xiàn)今最常用的外存，因其利用磁表面介質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通常也稱為磁表面存儲(chǔ)器。而光盤是外存發(fā)展的方向，有必要了解 它們的原理和應(yīng)用。 (1)磁盤存儲(chǔ)器 磁盤存儲(chǔ)器具有容量大，存取速度高 (相對其他種類外存儲(chǔ)器 )的特點(diǎn)，因而在各種類型的計(jì)算機(jī)中普遍被用做主要的外存儲(chǔ)器。磁盤存儲(chǔ)器避免了磁帶存儲(chǔ)的缺點(diǎn)。磁盤存儲(chǔ)器將磁性材料涂粘在以某種材料為主的盤形圓片上，用若干封閉的圓形磁道代替了磁帶的長形磁道。使用時(shí)，通過磁盤面的高速旋轉(zhuǎn)代替磁帶的直線運(yùn)動(dòng)，減少尋找特定位置的時(shí)間。 磁盤存儲(chǔ)器由磁盤、磁頭、定位系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)等部分組成，一般也將這些部件統(tǒng)稱為磁盤驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)盤片的基本組成材料將磁盤分為硬盤和軟盤兩種。所謂硬盤是指由金屬材料 制成一定厚度的盤片基體，這些盤片一般組合成盤片組構(gòu)成硬盤驅(qū)動(dòng)器的存儲(chǔ)主體。 軟盤和硬盤盤片記錄信息的方式相同，都是將每個(gè)盤面由外向內(nèi)分成若干個(gè)磁道，每個(gè)磁道也劃分為多個(gè)扇區(qū)，信息以扇區(qū)為單位存儲(chǔ)。 扇區(qū)是磁盤存放信息的最小物理單位。扇區(qū)包括頭空、序標(biāo)、數(shù)據(jù)區(qū)、檢驗(yàn)字段和尾空等幾個(gè)部分。通常對磁盤進(jìn)