微电子与电路基础作业一

1、微电子与电路基础作业一：个人计算机的原理与组成信息科学技术学院11级本科生 倪焱学号1100012727摘要：本文主要讲述个人计算机的原理与组成，其中重点介绍计算机控制器及与之相关的存储器原理与组成。计算机的原理与信息表示：众所周知，计算机是用二进制来表示信息的，8个二进制位为一个字节（B），之后的单位为千字节（KB）、兆字节（MB），以及GB、TB等等。通过不同的解释方案，这些二进制位的信息既可以被解释成为整形（int）、字符（char）、浮点数（float）等编程中的基础类型，又可以被解释成为图像、声音、指纹等等高级的信息表示。而之所以用二进制，是因为二进制可以较好地对应物理当中的电路状态

2、：用电容的高电平来表示1，用低电平来表示0。同时通过一系列的逻辑电路（高中学过的与、或、非门电路是最基础的典型）来改变这些电容的状态，从而达到改变信息的目的，如下图所示：计算机的基本组成：计算机的组成，从逻辑上讲，只有控制器、存储器、输入设备、输出设备四种，而今天的个人计算机组成已经十分复杂，控制功能已不再单独集成于CPU上。总的来说，个人计算机通过总线将控制器与存储器及其它外置设备连接到一起（而我们通常所说的32位机64位机则是指总线一次能够传输的二进制位的个数）：根据冯诺依曼体系结构，程序被存储在存储器当中。事实上计算机的电源一经接通，就开始执行存储在CMOS芯片当中的指令，该芯片保存了实

3、时时钟的数据以及用户设定的某些参数，进而引导计算机进入操作系统当中。此后根据已经存储好的程序以及来自用户和程序执行中间的指令中断对存储在存储器当中的信息做出改变。同时通过各种外围输出设备及其接口来将二进制的信息转化成人类可以直观理解的信息。然而，计算机中不同的部件处理信息的能力是不同的，中央处理器（CPU）处理速度最快，而各种外存储器以及输入设备的存取速度相比较而言则要慢的很多（现代CPU的主频可以达到GHz的水平，而像鼠标键盘打印机这样的外围设备则慢了不止一个数量级），为了解决计算机各个部件处理信息速度不一样造成计算资源浪费的问题，计算机体系结构的设计者们提出了缓存（cache）的思想：比如

4、在打印机的接口加入一个缓存，使CPU将所有要打印的东西一次性发送到缓存中，然后再由缓存向打印机缓慢输出要打印的数据。这方面最典型的实例就是CPU高速缓存内存磁盘的处理器存储器结构。在运行程序的时候，先将磁盘中的指令和已经保存的数据加载到内存当中；在程序执行的同时，再将近期经常用到的数据加载到高速缓存当中供CPU使用，一般来说这些存储器的存取速度和单位价格是反相关的，磁盘价格最低，存取速度最慢，CPU寄存器的价格最高，存取速度也最快。这样的结构能使计算机当中的计算资源能够得到最大化地利用。事实上为了提高计算性能，现代个人计算机的高速缓存已经做到了三层。中央处理器（CPU）的组成结构：中央处理器（

5、Central Process Unit,CPU）通常由寄存器、运算器以及控制器三部分组成，它们各司其职又互相配合从而得到了今天的拥有高性能计算的处理器：其中ALU（算术逻辑部件）就是通常所说的运算器；寄存器负责存储-读取数据（如前所述，其存储数据的速度是计算机所有存储设备中最快的）；控制器则负责控制数据的传输。CPU本质上是对指令的执行设备。在一个时钟周期内（时钟周期是指装载在CPU内部的脉冲器发出的脉冲的频率，它决定了该CPU的处理速度）。CPU执行一条指令可以分为以下四步：1. 程序控制器给主存储器发出当前指令位置，让RAM（随机存储器，一般是内存或高速缓存）把指令取出送给它，程序控制器对指令内容进行“解释”，按照CPU的规定，弄清指令应该完成的运算操作。2. 根据指令取数据，一般是从CPU的寄存器组中取数，或者从主存储器当中取数，不同的指令会有不同的取数规则。从主存储器当中取出的数会直接参与运算，或者不参与运算而直接存储到寄存器组内。3. 根据指令，指挥ALU进行运算，运算结果存于寄存器组内，寄存器组的数也可以转存到主存储器。4. 处理中断。检测是否存在要求暂时中断程序正常执行的异常信号，必要时转入中断子程序，处理中断后返回，继续正常的程序。5. 程序计数器根据指令当中的下一条指令的位置更新自己的数据，从而再执行步骤1。小结：本文仅仅是对计算机组