微机结构与原理

 微机系统的组成与层次

微机系统由多个层次组成,从基础的电子元件到复杂的系统集成,每一层都是构建整体功能的基础。

 系统层次性

晶体管:作为基础,模拟布尔逻辑,实现开关特性。
小规模集成电路:如逻辑门,实现基本逻辑功能。
中规模集成电路:包括组合逻辑电路和时序逻辑电路,执行更复杂的逻辑运算。
CPU**:微机的核心,由加法器、寄存器、计数器等构成。

微机特点

微机以其体积小、功耗低、可靠性高、结构简单、性能价格比高等特点,在个人和商业应用中得到广泛普及。

 存储器体系

存储器体系是微机的另一个核心,它包括从CPU内部寄存器到外部存储设备的多级结构。

 层次结构

CPU寄存器(M0):最快的存取时间,用于临时存储指令和数据。
高速缓存(M1):位于CPU和主存之间,以空间换取时间,提高数据访问速度。
主存储器(M2):通常为RAM,容量和成本适中,存储运行中的程序和数据。
辅助存储器(M3/M4):如硬盘、光盘、磁带,提供大容量存储,但速度较慢。

 高速缓冲存储器(Cache)

Cache是一种SRAM,利用局部性原理减少CPU访问主存的时间。替换算法如LRU、FIFO等用于管理Cache中数据的存取。

 虚拟存储器

虚拟存储器通过MMU实现虚拟地址到物理地址的映射,扩充了内存的逻辑容量,允许运行超出物理内存限制的程序。

 CPU逻辑结构与指令执行

CPU是微机的中枢,负责解释和执行程序指令。

 CPU逻辑结构

程序计数器(PC):指向下一条要执行的指令。
指令寄存器(IR):保存当前执行的指令。
算术逻辑单元(ALU):执行算术和逻辑运算。

指令执行过程

-取指:CPU从PC指定的内存地址取出指令到IR。
译码:解析IR中的指令,确定操作类型和操作数。
执行:ALU根据指令执行相应的运算。
写回:将执行结果写回寄存器或内存。

总线是微机组件间通信的通道,包括数据总线、地址总线和控制总线,它们协同工作以完成数据传输和指令执行。

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