微机结构总结

在计算机导论中，微机结构是核心内容之一，它涉及计算机的基础组成和工作原理。微机结构主要包括中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出设备以及连接这些部件的系统总线。
一、CPU是微机的大脑，负责解释和执行程序指令，处理数据。CPU是由各种部件组成，分别是：
1.运算器（包括寄存器、执行部件和控制电路3个部分）：
（1）.在典型的运算器中有3个寄存器：接收寄存器、累加寄存器、乘商寄存器。
（2）.执行部件：包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。
（3）控制电路：和控制器关联的相关电路，它控制者运算器的运行过程。
2.控制器是整个CPU的指挥控制中心（由指令寄存器IR、程序计数器PC和操作控制器0C三个部件组成）
（1）.指令寄存器：用以保存当前执行或即将执行的指令的一种寄存器
（2）.程序计数器：指明程序中下一次要执行的指令地址的一种计数器，又称指令计数器。
（3）.操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。
指令系统：
（一）指令
1.指令（又称机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位
一种计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。注：一种计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。
2.指令格式
一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。
一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分
指令格式-地址码
现代微机系统常采用两地址指令，以及一地址指令和零地址指令：
（1）二地址指令：（目的操作数）OP（源操作数）→目的操作数含义：将目的操作数与源操作数相操作，结果存放在目的操作数的地址（可能是存储器或寄存器）
（2）一地址指令：OP目的操作数含义：直接对操作数A1进行指令编码指定的操作
（3）零地址指令：OP 含义：不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令，一般操作数是硬件系统本身。
4.指令操作码
（1）定长操作码：在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。
一般n位操作码字段的指令系统最大能够表示2”条指令。
（2）扩展操作码（不定长操作码）：全部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。

二、存储器用于存储程序和数据：
（一）
1.按照存储器的访问时间是否与存储器单元的顺序：
（1）.顺序存储器
（2）.随机存储器
2.按照存储器读写信息的方式：
（1）.读写式存储器
（2）.只读式存储器
3.按照存储器的实现方式:
（1）.动态存储器
（2）.静态存储器
（二）微机系统的存储体系，按照访问速度划分为寄存器、高速缓冲存储器、存储器（主存储器或内存）、外存储器（外存或辅存）
1.高速缓冲存储器
高速缓冲存储器通常由高速存储器、联想存储器、替换逻辑电路和相应的控制线路组成。
高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。
当中央处理器存取主存储器时，硬件首先自动对存取地址的列号字段进行译码，以便将联想存储器该列的全部行号与存取主存储器地址的行号字段进行比较：若有相同的，表明要存取的主存储器单元已在高速存储器中，称为命中，硬件就将存取主存储器的地址映射为高速存储器的地址并执行存取操作；若都不相同，表明该单元不在高速存储器中，称为脱靶。
当出现脱靶而高速存储器对应列中没有空的位置时，便淘汰该列中的某一组以腾出位置存放新调入的组，这称为替换。
确定替换的规则叫替换算法，常用的替换算法有:最近最少使用算法（LRU）、先进先出法（FIFO）和随机法（RAND）等。
2.主存储器
（1）动态随机读写存储器DRAM：它可以读操作、写操作、刷新操作。
（2）CPU与存储器的连接：CPU与存储器之间的通信通过双向传送的数据总线，单向传送（从CPU到存储器）的地址总线以及读和写两根单向传送的控制总线连接在一起的。
3.虚拟存储器
（1）地址范围：指处理器能够产生的地址集合，也称为虚拟地址空间，其中对应的地址为虚拟地址。
（2）虚拟地址与物理地址：与虚拟地址空间和虚拟地址相对应的是物理地址空间和物理地址；物理地址空间只是虚拟地址空间的一个子集。
（3）分页机制：如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片（以下称为物理内存，以便与虚拟内存区分）接收，这称为物理地址。
三、输入输出设备允许用户与计算机互动，如键盘、鼠标和显示器。|
I/O接口具有如下各种功能：
1.对输入/输出数据进行缓冲、隔离和锁存。
2.信号转换。在接口电路中引入变换器用于在电信号形式（内部数据）和其他形式的设备数据之间进行转换。
3.I/O端口提供寻址功能。一个I/O控制器会占有多个端口地址，I/O端口必须编号后，CPU才能访问它，I/O设备的寻址方式就是I/O端口的编号方式。
4.为CPU和I/O设备之间提供联络。
I/O接口组成与结构
1、接口硬件
接口电路通常做在一块大规模或超大规模集成电路芯片上，因而常被称为接口芯片。
2、接口软件
接口软件又称为设备驱动程序。
3、中断工作方式
基本思想：CPU在程序中安排好在某一时刻启动某一台外设，然后CPU继续执行原来程序，一旦外设完成数据传送的准备工作时，便主动向CPU发出一个中断请求，请求CPU为自己服务。在可以响应中断的条件下，CPU暂时中止正在执行的程序，转去执行中断服务程序为中断请求者服务，在中断服务程序中完成一次主机与外设之间的数据传送，传送完成后，CPU仍然返回原来的程序，从断点处继续执行。
中断的处理过程实际是程序的切换过程，即从现行程序切换到中断服务程序，再从中断服务程序返回到现行程序。CPU每次执行中断服务程序前总要保护断点、保存现场，执行完中断服务程序返回现行程之前又要恢复现场、恢复断点。
中断系统是计算机实现中断功能的软、硬件总称。一般在CPU中配置中断机构，在外设接口中配置中断控制器，在软件上设置上相应的中断服务程序。
4、中断的基本概念
A、中断请求
中断源是指中断请求的来源，即引起计算机中断的事件。通常，一个计算机允许有多个中断源。
B、中断响应
CPU响应中断的条件
CPU接收到中断请求信号；
CPU允许中断：CPU内部有一个中断允许触发器（EINT），只有当EINT=1时，CPU才可以响应中断源的请求。通常，中断允许触发器由开中断指令来置位，由关中断指令使其复位；一条指令执行完毕：这是CPU响应中断请求的时间限制条件。一般情况下，CPU在一条指令执行完毕且没有更紧迫的任务时才能响应中断请求。
C、硬件向量中断法
当CPU响应某一中断请求时，硬件能自动形成并找出与该中断源对应的中断服务程序的入口地址。
D、中断现场的保护和恢复
中断现场指的是发生中断时CPU的主要状态，其中最重要的是断点，另外还有一些通用寄存器的状态。
E、多重中断与中断屏蔽
中断嵌套
要使计算机具有多重中断的能力，首先要能保护多个断点，而且先发生的中断请求的断点，先保护后恢复；后发生的中断请求的断点，后保护先恢复。堆栈的后进先出特点正好满足多重中断这一先后次序的需要。