地址 0
1 2 3 4
内容
M-3 M-2 M-1
图 5.2 存储器及其地址
•存储器
RD
控
WR
制
逻
辑
地址寄存器 地址译码器
000……00H 1 0 1 0 1 0 0 1
MAR 存储单元
…
FFF……FFH
数据寄存器
MDR
存储单元的地址和内容都是二进制数码，但它们是完 全不同的两个概念，如同高级语言中的变量名和变量 的值是不同的两个概念一样。
主板
存储器
CPU
I/O 接口
I/O 设备
AB DB CB 图 5.5 微型计算机的组成
CPU、存储器、I/O接口电路之间用三组总线相连: 地址总线(AB： Address Bus) 数据总线(DB： Data Bus) 控制总线(CB： Control Bus)
地址总线、数据总线、控制总线通常统称为系统总线。
MDR用于在访存时缓存对存储单元读/写的数据；
ID用于对IR中的指令进行译码，以确定IR中存放的是 哪一条指令；
控制电路负责产生时序脉冲信号，并在时序脉冲的同 步下对有关的部件发出操作控制命令，以控制各个部 件的动作。
4. 输入设备和输出设备
输入设备是用来输入数据(通常是原始数据) 和程序的 装置，其功能是将外界的信息转换成机内的表示形式 并传送到计算机内部。常见的输入设备有键盘、鼠标、 图形数字化仪、图像扫描仪、数字照相机和数字摄像 机，等等 。
如果要求将M1的内容与M2的内容相加后存入M3(可表示为 (M1)+(M2)→(M3))，再将程序转向L处的指令继续执行，则可用 上面给出的各指令编写出如下的程序来实现：
汇编语言程序 LOAD R1, M1 ADD R1, M2 STORE M3, R1 JMP L
机器语言程序 00001011 00000101 00011011 00000110 00101011 00000111 00110000 00010001
X、Y、Z是与ALU不可分的一部分，通常称为ALU的数 据暂存器。
X、Y中的数据可来自通用寄存器，也可来自存储器。 Z中的数据可送往通用寄存器，也可送往存储器。
3.控制器
为了实现对计算机各部件的有效控制，快速准确地取 指令、分析指令和执行指令，控制器通常由
指令寄存器IR
程序计数器PC
存储器地址寄存器MAR
存储器数据寄存器图5.4所示。
控制 信号
控制电路 指令译码
IR
内
PC
部
存
MAR
总
储
线
器
MDR
图 5.4 控制器的基本组成
IR用于存放正在执行或即将执行的指令；
PC用于存放下一条指令的存储单元地址，它具有自动 增量计数的功能；
MAR用于在访存时缓存存储单元的地址；
令)→MDR，通过DBUS； (iii) 控制器发“PC加”信号，使PC+n→PC，其中n为该指
令占用的地址数； (iv) 控制器发“MDROUT”和“IRIN”信号，使MDR→IR。
第(i)步要占用内部总线，第(ii)步和第(iii)步不占用内 部总线，前三步可在同一个机器周期*内完成。第(iv) 步要占用内部总线，需要在另一个机器周期*内完成。 所以，取指令共需要两个机器周期*。
(1) LOAD R1, M1 (2) STORE M3, R1
(3) ADD R1, M2 (4) JMP L
(1)是传送类指令，其含义是将M1中的内容装入R1。 (2)也是传送类指令，其含义是将R1的内容存入M3中。 (3)是运算类指令，其含义是将R1的内容与M2中的内容相加后存入
R1。 (4)是转移类指令，其含义是无条件转向L处。
为了把下一条指令从存储器中取出，通常控制器把PC 的内容加上一个数值，形成下一条指令的地址，但在 遇到“转移”指令时，控制器则把“转移地址”送入 PC。
控制器不断重复上述过程的(1)到(5)，每重复一次， 就执行了一条指令，直到整个程序执行完毕。
下面，以前面给出的、由4条指令组成的程序段为例， 结合图5.8中所示的计算机结构，简述指令及程序的执 行过程。
输出设备是用来输出数据(通常是处理结果)和程序的 装置，其功能是将计算机内的数据和程序转换成人们 所需要的形式并传送到计算机外部。常见的输出设备 有显示器、打印机、绘图机，等等。
5.2.2 微型计算机的组成
微型计算机 =CPU+存储器+I/0接口+输入/输出设备
主机: 包含了除输入/输出设备以外的所有部件，是一 个能独立工作的系统，所以有时也将主机称为微型计 算机。
5.2 计算机及微型计算机的组成
5.2.1 计算机的组成
冯·诺依曼计算机由运算器、控制器、存储器、输入设 备、输出设备五部分组成，如图5.1所示。
状 态
输入设备
程序和数 据输入 状
命 令
态和
和应
请答
求
运算器
数 据
存储器
地
指
址
令
控制器
命 令
输出设备
命 令 和 应 答
状 态 和 请 求
输出结果
图 5.1 计算机的组成
R0
Rn-1
内
Y
部
总
X
线
A
B
ALU
F
Z
图 5.3 运算器的基本组成
核心部件ALU用于完成算术运算和逻辑运算。
X、Y是ALU的输入寄存器，Z是ALU的输出寄存器。
F用于存放运算结果的状态，例如，结果是否为零，是正 还是负，有无进位，是否溢出，等等。
ALU的功能是对X、Y中的数据进行运算，并将结果送 到Z。
LOAD R1, M1
ADD R1, M2
STORE M3, R1
JMP L 假设程序及数据已经装入了存储器，第一条指令的地
址已经装入了PC寄存器。
(1) 取指令“LOAD R1, M1”并执行
① 取指令“LOAD R1, M1”并形成下一条指令的地址：
(i) 控制器发“PCOUT”和“MARIN”信号，使PC→MAR； (ii) 控制器发“M读”信号，使存储器的内容（指
ENIAC（Electronic Numerrical Integrator And Computer） ——不具备“存储程序”的功能
2. 冯氏计算机结构：( stored-program computer)
EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer） ——采用“存储程序”的概念，并付诸实现， “开创了整个程序设计时 代的到来”
机器周期定义（修改教材p136第17行）： 计算机通过内部或外部总线进行一次信息传输从而完成一个或几
个微操作所需要的时间。 上面*号处（以及P145 作业10、11题）的机器周期均是指通过内
部总线进行信息传输所完成的机器周期。
② 执行指令“LOAD R1，M1”： (i) 控制器发“IROUT”和“MARIN”信号，使IR中指令的地址段(即
程序的功能
将M1的内容送入R1 将R1的内容加上M2的内容再送回R1 将R1的内容送入M3中 转向L处继续执行那里的指令
汇编时，假设存储单元的地址M1、M2、M3分别为5、6、7，其内 容分别为12、34、0；地址L为17；R1寄存器的编号为1011；
四条指令LOAD、ADD、STORE、JMP的操作码分别为0000、 0001、0010、0011。
(2) 指令译码器ID对指令寄存器IR中的指令进行译码， 分析指令的操作性质，并由控制电路向存储器、运算 器等有关部件发出指令所需要的微命令。
(3) 当需要由存储器向运算器提供数据时，控制器根据指 令的地址部分，形成数据所在的存储单元地址，并送 往存储器地址寄存器MAR，然后向存储器发出读命令 “M读”，从存储器中读出的数据经由存储器数据寄存 器MDR送往运算器。
1.存储器
计算机中的指令和数据都表现为二进制数码，他们必 须被存入存储器的不同区域才能被区分。
为了准确地对存储器进行读或写，通常以字节(或以字) 为单位将存储器划分为一个个存储单元，并依次对每 一个存储单元赋予一个序号(从零开始的无符号整数)， 该序号称为存储单元的地址。
存储单元中存放的数据或指令称为存储单元的内容。 地址是识别存储器中不同存储单元的惟一标识，如图 5.2所示。
“JMP L”的第二个字节 第五条指令（只有一个字节） 第六条指令
5.4.3 计算机的工作过程 1.计算机的内部结构(模型机)
存储器 LOAD R1, M1
控制 信号
控制电路 指令译码
ADD R1, M2
IR
STORE M3, R1
JMP L
PC
L
ABUS DBUS
MAR MDR
内 部
R0
总
线 Rn-1
第5章
计算机、微型计算机的组成及 工作过程
5.1 计算机及微型计算机的产生与 发展
参见教材P118-P122
ENIAC(1946,18000电子管，150千瓦，重30吨， 5000次/秒，…….)
John von Neumann and the EDVAC
1. “存储程序”概念的产生及其重要意义。
00001100 00100010 00000000 00001011 00000101 00011011 00000110 00101011 00000111 00110000 00010001 ………….. …………..
M1 M2 M3 “LOAD R1, M1”的第一个字节 “LOAD R1, M1”的第二个字节 “ADD R1, M2”的第一个字节 “ADD R1, M2”的第二个字节 “STORE M3, R1”的第一个字节 “STORE M3, R1”的第二个字节 “JMP L”的第一个字节