在微型計算機中微處理器是什么

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在微型計算機中，運算器和控制器合稱為“微處理器”。微處理器由一片或少數幾片大規模集成電路組成的中央處理器；一般而言，微處理器芯片上集成有控制器、運算器、寄存器以及連接它們的內部總線等部件。

微處理器由一片或少數幾片大規模集成電路組成的中央處理器。這些電路執行控制部件和算術邏輯部件的功能。

一般而言，微處理器芯片上集成有控制器、運算器、寄存器以及連接它們的內部總線等部件。

微處理器能完成取指令、執行指令，以及與外界存儲器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計算機的運算控制部分。它可與存儲器和外圍電路芯片組成微型計算機。

組成

微處理器由算術邏輯單元（ALU，Arithmetic Logical Unit）；累加器和通用寄存器組；程序計數器（也叫指令指標器）；時序和控制邏輯部件；數據與地址鎖存器/緩沖器；內部總線組成。其中運算器和控制器是其主要組成部分。

算術邏輯單元

算術邏輯單元ALU主要完成算術運算（+，－、×、÷、比較）和各種邏輯運算（與、或、非、異或、移位）等操作。ALU是組合電路，本身無寄存操作數的功能，因而必須有保存操作數的兩個寄存器：暫存器TMP和累加器AC，累加器既向ALU提供操作數，又接收ALU的運算結果。

寄存器陣列實際上相當于微處理器內部的RAM，它包括通用寄存器組和專用寄存器組兩部分，通用寄存器（A，B，C，D）用來存放參加運算的數據、中間結果或地址。它們一般均可作為兩個8位的寄存器來使用。處理器內部有了這些寄存器之后，就可避免頻繁地訪問存儲器，可縮短指令長度和指令執行時間，提高機器的運行速度，也給編程帶來方便。專用寄存器包括程序計數器PC、堆棧指示器SP和標志寄存器FR，它們的作用是固定的，用來存放地址或地址基值。其中：

A）程序計數器PC用來存放下一條要執行的指令地址，因而它控制著程序的執行順序。在順序執行指令的條件下，每取出指令的一個字節，PC的內容自動加1。當程序發生轉移時，就必須把新的指令地址（目標地址）裝入PC，這通常由轉移指令來實現。

B）堆棧指示器SP用來存放棧頂地址。堆棧是存儲器中的一個特定區域。它按“后進先出”方式工作，當新的數據壓入堆棧時，棧中原存信息不變，只改變棧頂位置，當數據從棧彈出時，彈出的是棧頂位置的數據，彈出后自動調正棧頂位置。也就是說，數據在進行壓棧、出棧操作時，總是在棧頂進行。堆棧一旦初始化（即確定了棧底在內存中的位置）后，SP的內容（即棧頂位置）使由CPU自動管理。

C）標志寄存器也稱程序狀態字（PSW）寄存器，用來存放算術、邏輯運算指令執行后的結果特征，如結果為0時，產生進位或溢出標志等。

定時與控制邏輯是微處理器的核心控制部件，負責對整個計算機進行控制、包括從存儲器中取指令，分析指令（即指令譯碼）確定指令操作和操作數地址，取操作數，執行指令規定的操作，送運算結果到存儲器或I/O端口等。它還向微機的其它各部件發出相應的控制信號，使CPU內、外各部件間協調工作。

內部總線用來連接微處理器的各功能部件并傳送微處理器內部的數據和控制信號。

必須指出，微處理器本身并不能單獨構成一個獨立的工作系統，也不能獨立地執行程序，必須配上存 儲器、輸入輸出設備構成一個完整的微型計算機后才能獨立工作。

存儲器

微型計算機的存儲器用來存放當前正在使用的或經常使用的程序和數據。存儲器按讀、寫方式分為隨機存儲器RAM（Random Access Memory）和只讀存儲器ROM（Read only Memory）。RAM也稱為讀/寫存儲器，工作過程中CPU可根據需要隨時對其內容進行讀或寫操作。RAM是易失性存儲器，即其內容在斷電后會全部丟失，因而只能存放暫時性的程序和數據。ROM的內容只能讀出不能寫入，斷電后其所存信息仍保留不變，是非易失性存儲器。所以ROM常用來存放永久件的程序和數據。如初始導引程序、監控程序、操作系統中的基本輸入、輸出管理程序BIOS等。

I/O接口

輸入/輸出接口電路是微型計算機的重要組成部件。他是微型計算機連接外部輸入、輸出設備及各種控制對象并與外界進行信息交換的邏輯控制電路。由于外設的結構、工作速度、信號形式和數據格式等各不相同，因此它們不能直接掛接到系統總線上，必須用輸入/輸出接口電路來做中間轉換，才能實現與CPU間的信息交換。I/O接口也稱I/O適配器，不同的外設必須配備不同的I/O適配器。I/O接口電路是微機應用系統必不可少的重要組成部分。任何一個微機應用系統的研制和設計，實際上主要是I/O接口的研制和設計。因此I/O接口技術是本課程討論的重要內容之一，我們將在第八章中詳細介紹。

總線

總線是計算機系統中各部件之間傳送信息的公共通道，是微型計算機的重要組成部件。它由若干條通信線和起驅動，隔離作用的各種三態門器件組成。微型計算機在結構形式上總是采用總線結構，即構成微機的各功能部件（微處理器、存儲器、I/O接口電路等）之間通過總線相連接，這是微型計算機系統結構上的獨特之處。采用總線結構之后，使系統中各功能部件間的相互關系轉變為各部件面向總線的單一關系，一個部件（功能板/卡）只要符合總線標準，就可以連接到采用這種總線標準的系統中，從而使系統功能擴充或更新容易、結構簡單、可靠性大大提高。在微型計算機中，根據他們所處位置和應用場合，總線可被分為以下四級，如圖1.4所示。

（1）片內總線：它位于微處理器芯片內部，故稱為芯片內部總線。用于微處理器內部ALU和各種寄存器等部件間的互連及信息傳送（如圖1.3中的內部總線就是片內總線）。由于受芯片面積及對外引腳數的限制，片內總線大多采用單總線結構，這有利于芯片集成度和成品率的提高，如果要求加快內部數據傳送速度，也可采用雙總線或三總線結構。

（2）片總線：片總線又稱元件級（芯片級）總線或局部總線。微機主板、單扳機以及其它一些插件板、卡（如各種I/O接口板/卡），它們本身就是一個完整的子系統，板/卡上包含有CPU，RAM，ROM，I/O接口等各種芯片，這些芯片間也是通過總線來連接的，因為這有利于簡化結構，減少連線，提高可靠性，方便信息的傳送與控制。通常把各種板、卡上實現芯片間相互連接的總線稱為片總線或元件級總線。

相對于一臺完整的微型計算機來說，各種板/卡只是一個子系統，是一個局部，故又把片總線稱為局部總線，而把用于連接微機各功能部件插卡的總線稱為系統總線。局部總線是一個重要的概念，我們將在第七章中討論。

（3）內總線：內總線又稱系統總線或板級總線。因為該總線是用來連接微機各功能部件而構成一個完整微機系統的，如圖1.2中所示，所以稱之為系統總線。系統總線是微機系統中最重要的總線，人們平常所說的微機總線就是指系統總線，如PC總線、AT總線（ISA總線）、PCI總線等。系統總線是我們要討論的重點內容之一。

系統總線上傳送的信息包括數據信息、地址信息、控制信息，因此，系統總線包含有三種不同功能的總線，即數據總線DB（Data Bus）、地址總線AB（Address Bus）和控制總線CB（Control Bus），如圖1.2中所示。

數據總線DB用于傳送數據信息。數據總線是雙向三態形式的總線，即他既可以把CPU的數據傳送到存儲器或I/O接口等其它部件，也可以將其它部件的數據傳送到CPU。數據總線的位數是微型計算機的一個重要指標，通常與微處理的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數據總線寬度也是16位。需要指出的是，數據的含義是廣義的，它可以是真正的數據，也可以指令代碼或狀態信息，有時甚至是一個控制信息，因此，在實際工作中，數據總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數據。

地址總線AB是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態的，這與數據總線不同。地址總線的位數決定了CPU可直接尋址的內存空間大小，比如8位微機的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為2^16=64KB，16位微型機的地址總線為20位，其可尋址空間為2^20=1MB。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2^n字節。

控制總線CB用來傳送控制信號和時序信號。控制信號中，有的是微處理器送往存儲器和I/O接口電路的，如讀/寫信號，片選信號、中斷響應信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復位信號、總線請求信號、限備就緒信號等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，一般是雙向的，控制總線的位數要根據系統的實際控制需要而定。實際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。

（4）外總線：也稱通信總線。用于兩個系統之間的連接與通信，如兩臺微機系統之間、微機系統與其他電子儀器或電子設備之間的通信。常用的通信總線有IEEE-488總線，VXI總線和RS-232串行總線等。外總線不是微機系統本身固有的，只有微型機應用系統中才有。

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