【文章內(nèi)容簡介】 =Y i +X i C n+i 四位之間采用先行進(jìn)位方式。 對一片 ALU 來說，可有三個進(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，多加這兩個進(jìn)位輸出的目的是為了便于實現(xiàn)多片（組） ALU 之間的先行進(jìn)位，為此，還需一個配合電路，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方向傳送。所謂雙向總線，就是信息可以向兩個方向傳送。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 “1”、邏輯 “0”和 “浮空 ”狀態(tài)。 運算器包括 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。現(xiàn)代計算機(jī)的運算器大體有如下三種結(jié)構(gòu)形式。 ① 單總線結(jié)構(gòu)的運算器 ② 雙總線結(jié)構(gòu)的運算器 ③ 三總線結(jié)構(gòu)的運算器 七、控制器 CPU 中的位置 中央處理器（ CPU）由兩個主要部分 控制器及運算器組成。其中程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作控制器等組成了控制器。它是對計算機(jī)發(fā)布命 令的 “決策機(jī)構(gòu) ”，協(xié)調(diào)和指揮整個計算機(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存放由內(nèi)存儲器讀出的一條指令或一個數(shù)據(jù)字 。反之，當(dāng)向內(nèi)存存入一條指令或一個數(shù)據(jù)字時，也暫時將它們存放在這里。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。而程序計數(shù)器（ PC）正是起到這種作用，所以通常又稱其為指令計數(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)運算器的算術(shù) /邏輯單元（ ALU）執(zhí)行全部算術(shù)和邏輯運算時，為 ALU 提供一個工作區(qū)。例如，在執(zhí)行一個加法前，先將一個操作數(shù)暫時存放在 AC中，再從內(nèi)存中取出另一個操作數(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存放 ALU 運算的結(jié)果信息。顯然，運算器中 至少要有一個累加器寄存器。 由于運算器的結(jié)構(gòu)不同，可采用多個累加寄存器。 （ 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)計方法不同，操作控制器可分為組合邏輯型、存儲邏輯型、組合邏輯與存儲邏輯結(jié)合型三種。第一種稱為常規(guī)控制器，它是 第 8 頁 20201127 8 采用組合邏輯技術(shù)來實現(xiàn)的 。第二種稱為微程序控制器，它是采用存儲邏輯來實現(xiàn)的 。第三 種稱為 PLA 控制器，它是吸收前兩種的設(shè)計思想來實現(xiàn)的。 （ 8）時序產(chǎn)生器 CPU 中除了操作控制器外，還必須有時序產(chǎn)生器，因為計算機(jī)高速地進(jìn)行工作，每一動作的時間是非常嚴(yán)格的，不能有任何差錯。時序產(chǎn)生器的作用，就是對各種操作實施時間上的控制。 運算器包括 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，圍繞它的有程序計數(shù)器（ PC）、指令寄存器（ IR）、指令譯碼器（ ID）和時序產(chǎn)生器。 八、存儲器 （ 1）存儲器的基本組成 主存儲器由存儲體、 地址譯碼電路、驅(qū)動電路、讀寫電路和控制電路等組成。主存儲器主要功能是 :① 存儲體 :是信息存儲的集合體，由某種存儲介質(zhì)按一定結(jié)構(gòu)組成的存儲單元的集合。通常是二維陣列組織，是可供 CPU 和計算機(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)訪問的存儲單元。在存儲體與譯碼器之間的驅(qū)動器的功能是減輕譯碼線驅(qū)動負(fù)載能力。由于一條譯碼線需要與它控制的所有存儲單元相聯(lián)，其負(fù)載很大。需要增夾犖動器，以譯碼線連叫犖動器的輸入端，由驅(qū)動器的輸出端控 制連接在譯碼線上的所有存儲單元。 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)寄存器中寫入存儲體中特定的存儲單元或?qū)⒋鎯w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)生一組時序信號控制存儲器的操作。 在存儲器的組成中，存儲體是核心，其余部分是存儲體的外圍線路。不同的存儲器都是由這幾部分組成，只是在選用不同的存儲介質(zhì)和不同的存取方式時，各部分的結(jié)構(gòu)與工作方式略有變化。 （ 2）存儲體陣列 計算機(jī)存儲器中存儲的是 “0”和 “1”的信息，每一個能存儲一 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單元，一個存儲單元能夠存儲一個或幾個字節(jié)的二進(jìn)制信息。每個存儲單元都有一個地址編號，用以唯一標(biāo)識存儲單元的位置。信息按地址存入指定的存儲單元中，按地址從指定的存儲單元中取出。存儲單元的集合稱為存儲體。由于存儲體中存儲單元的每個二進(jìn)制位必須并行工作，因此將存儲單元按其地址的順序組成存儲陣列。 （ 3）存儲器的地址譯碼系統(tǒng) CPU 要訪問存儲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)動相應(yīng)的讀寫電路，完成對存儲單元的讀寫操作。 地址譯碼為兩種方式 :一種是單譯碼方式，僅有一個譯碼器。譯碼器輸出的每條譯碼線對應(yīng)一個存儲單元。如地址位數(shù) N=10，即譯碼器可以有 2 10 =1024 種狀態(tài)，對應(yīng)有 1024條譯碼線（字線）即 1024 個存儲單元。另外一種是雙譯碼方式，將譯碼器分成 X向和 Y 向兩個譯碼器，通過雙譯碼器的相互作用確定存儲單元的地址。 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 X 0 到 X 31 譯碼線，分別選擇 0～ 31 行。將后 5 位輸入到Y(jié) 地址譯碼器中譯出 Y 0 到 Y 31 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 2 5 =32 條。若采用 X向和 Y 向交 *選擇，可以選擇從存儲單元（ 0， 0）至（ 31， 31）共 2 5 2 5 =1024 個存儲單元地址。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）存儲器的讀寫操作 在 CPU 向存儲體發(fā)生讀操作命令時，首先由 CPU 將相應(yīng)存儲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)行將指定存儲單元的內(nèi)容傳送到數(shù)據(jù)寄存器的操作，完成了整個存儲器讀的操作。存儲器寫的操作與讀的操作相類似。不同類型的存儲器根據(jù)其特點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。 的結(jié)構(gòu)、組織及其應(yīng)用 半導(dǎo)體存儲器有體積小、存取速度快、生產(chǎn)制造易于自動化等特點，其性能價格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于磁芯存儲器，因而得到廣泛的應(yīng)用。 半導(dǎo)體存儲器的種類很多，就其制造工藝可以分成雙極型半導(dǎo)體存儲器和金屬 氧化物 半導(dǎo)體存儲器（簡 稱 MOS 型存儲器）。 MOS型存儲器按其工作狀態(tài)又可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。動態(tài)存儲器必須增設(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，價格較靜態(tài)存儲器便宜。因此經(jīng)常用做大容量的 RAM。 靜態(tài)存儲器和動態(tài)存儲器的主要差別在于 :靜態(tài)存儲器存儲的信息不會自動消失，而動態(tài)存儲器存儲的信息需要在再生電路的幫助下才能保持。但無論雙極型或 MOS 型存儲器，其保持的信息將隨電源的撤消而消失。 （ 1） RAM 的組織 第 9 頁 20201127 9 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。一般計算機(jī)中使用的 RAM 芯片均有自己的存儲 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)展存儲器的字長，可以采用并聯(lián)存儲器芯片的方式實現(xiàn)。 ② RAM 的串聯(lián) 為擴(kuò)展存儲器的存儲單元數(shù)量，可以采用多個芯片地址串聯(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)，即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 的實際應(yīng)用 由于一個存儲器的芯片一般不能滿足使用的要求，所以通常將若干個存儲器芯片按串聯(lián) 和并聯(lián)的兩種方式相結(jié)合連接，組成一定容量和字長的存儲器。 如果設(shè)計的存儲器容量有 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）。 的工作原理及其應(yīng)用 使用時只讀出不寫入的存儲器稱為只讀存儲器（ 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 使用掩模式 ROM。這類 ROM 由生產(chǎn)廠家做成，用戶不能加以修改。 掩模 ROM 的特點是其存儲內(nèi)容出廠時由生產(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 ROM 適用于定型批量制作。在實際使用過程中，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 ROM 生產(chǎn)的最后一道工序中 向 ROM 中寫入編碼，其余同掩模 ROM 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)計出可以多次擦寫的可編程 ROM（ EPROM）。其特點是可以根據(jù)用戶的要求用工具擦去 ROM 中原有的存 儲內(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 R0M 中原有的存儲內(nèi)容，重新寫入新的編碼。擦除和寫入可以多次進(jìn)行，其內(nèi)容同樣不會因斷電而丟失。最常見的 EPROM 是 UVEPROM，其存儲元件常用浮置柵型 MOS 管組成。出廠時全部置 “0”或 “1”，由用戶通過高壓脈沖寫入信息。擦寫時通過其外部的一個石英玻璃窗，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”或全 “1”狀態(tài)，允許用戶重新寫入信息。平時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，也稱為電可擦寫編程 ROM（ EEPROM）。 外存儲器是指那些不能被 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)的存儲器。磁帶、磁盤存儲器是現(xiàn)今最常用的外存，因其利用磁表面介質(zhì)存儲數(shù)據(jù)，通常也稱為磁表面存儲器。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）磁盤存儲器 磁盤存儲器具有容量大，存取速度高（相對其他種類外存儲器）的特點，因而在各種類型的計算機(jī)中普遍被用做主要的外存儲器。磁盤存儲器避免了磁帶存儲的缺點。 磁盤存儲器將磁性材料涂粘在以某種材料為主的圓片上，用若干封閉的圓形磁道代替了磁帶的長形磁道。使用時，通過磁盤面的高速旋轉(zhuǎn)代替磁帶的直線運動，減少尋找特定位置的時間。 磁盤存儲器由磁盤、磁頭、定位系統(tǒng)和傳動系統(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