3.2 计算机组成原理
3.2.1 系统总线
1．系统总线概述
系统总线，又称内总线或板级总线，是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统。系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息。因此，系统总线包含有3种不同功能的总线，即数据总线（Data Bus, DB）、地址总线（Address Bus, AB）和控制总线（Control Bus, CB），见图3-5。
图3-5 系统总线
2．工作原理
CPU通过系统总线对存储器的内容进行读、写，同样通过总线，实现将CPU内数据写入外设或由外设读入CPU。总线就是用来传送信息的一组通信线。微型计算机通过系统总线将各部件连接到一起，实现了微型计算机内部各部件间的信息交换。一般情况下，CPU提供的信号需经过总线形成电路形成系统总线。系统总线按照传递信息的功能来分，可分为地址总线、数据总线和控制总线。这些总线提供了微处理器（CPU）与存储器、输入输出接口部件的连接线。可以认为，一台微型计算机就是以CPU为核心，其他部件全“挂接”在与CPU相连接的系统总线上。
3．功能分类
（1）数据总线DB。用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，既可以把CPU的数据传送到存储器或输入输出接口等其他部件，也可以将其他部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理器的字长相一致。例如，Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。
（2）地址总线AB。它是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或输入输出端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为216=64KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为220=1MB。
（3）控制总线CB。用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和输入输出接口电路的，如读／写信号、片选信号、中断响应信号等；也有的是其他部件反馈给CPU的，如中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上，控制总线的具体情况主要取决于CPU。
3.2.2 CPU
1．CPU定义
中央处理器（Central Processing Unit, CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和输入输出设备是电子计算机三大核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。几乎所有的CPU的运作原理可分为4个阶段，即提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码、执行指令。计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。
2．工作原理
CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。指令是计算机规定执行操作的类型和操作数的基本命令。指令是由一个字节或者多个字节组成，其中包括操作码字段、一个或多个有关操作数地址的字段以及一些表征机器状态的状态字和特征码。有的指令中也直接包含操作数本身。
3．基本结构
CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件，见图3-6。
（1）运算逻辑部件，可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作及逻辑操作，也可执行地址的运算和转换。
（2）寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
（3）控制部件，主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
图3-6 CPU结构
3.2.3 存储器
1．存储器概述
存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存），也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电数据会丢失。
2．存储器的构成
构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节（按字节编址）。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为存储容量。假设一个存储器的地址码由20位二进制数（即5位十六进制数）组成，则可表示为220，即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。
存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码（“0”和“1”）的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。
3．存储器用途
根据存储器在计算机系统中的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。为了解决对存储器要求容量大、速度快、成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器，见图3-7。
图3-7 多级存储器体系结构
高速缓存：高速存取指令和数据存取速度快，但存储容量小。
主存储器：内存存放计算机运行期间的程序和数据，其存取速度快，存储容量不大。
外存储器：外存存放系统程序和大型数据文件及数据库，存储容量大，成本低。
按照与CPU的接近程度，存储器分为内存储器与外存储器，简称内存与外存。内存储器又常称为主存储器（简称主存），属于主机的组成部分；外存储器又常称为辅助存储器（简称辅存），属于外部设备。CPU不能像访问内存那样直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。在80386以上的高档微机中，还配置了高速缓冲存储器（Cache），这时内存包括主存与高速缓存两部分。对于低档微机，主存即为内存。
4．常用存储器
（1）硬盘，是计算机主要的存储介质之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。这些碟片外覆盖有铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在硬盘驱动器中。其物理结构为：磁头是读写合一的电磁感应式磁头；磁道是当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹；扇区是磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，每个扇区可以存放512B的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时以扇区为单位；每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，即磁盘柱面。
（2）光盘，以光信息作为存储物的载体，用来存储数据，采用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息。激光光盘分不可擦写光盘（如CD-ROM、DVD-ROM等）和可擦写光盘（如CD-RW、DVD-RAM等）。高密度光盘（Compact Disc）是近代发展起来不同于磁性载体的光学存储介质。常见的CD光盘非常薄，只有1.2mm厚，分为5层，包括基板、记录层、反射层、保护层、印刷层等。
（3）U盘，全称“USB闪存盘”，英文名“USB flash disk”。它是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，可以通过USB接口与计算机连接，实现即插即用。使用USB接口连到计算机的主机后，U盘的资料可与计算机交换。U盘最大的优点就是小巧便于携带、存储容量大、价格便宜、性能可靠。U盘容量有1GB、2GB、4GB、8GB、16GB、32GB、64GB等。
（4）ROM，是只读内存（Read-Only Memory）的简称，是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除。通常用在不需经常变更资料的电子或计算机系统中，资料不会因为电源关闭而消失。
（5）RAM（随机存取存储器，Random Access Memory），其存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。按照存储信息的不同，随机存储器又分为静态随机存储器（Static RAM, SRAM）和动态随机存储器（Dynamic RAM, DRAM）。
3.2.4 输入输出系统
1．输入输出系统控制方式
1）程序查询方式
这种方式是在程序控制下由CPU与外设之间交换数据。CPU通过I/O指令询问指定外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进行数据的输入或输出；否则CPU等待，循环查询。
程序查询方式是一种程序直接控制方式，这是主机与外设间进行信息交换的最简单方式，输入和输出完全是通过CPU执行程序来完成的。一旦某一外设被选中并启动后，主机将查询这个外设的某些状态位，看其是否准备就绪？若外设未准备就绪，主机将再次查询；若外设已准备就绪，则执行一次I/O操作。
这种方式控制简单，但外设和主机不能同时工作，各外设之间也不能同时工作，系统效率很低。因此，仅适用于外设的数目不多，对I/O处理的实时要求不高，CPU的操作任务比较单一且并不很忙的情况。
这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可；缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。
2）中断方式
中断是主机在执行程序过程中，遇到突发事件而中断程序的正常执行，转去对突发事情的处理，待处理完成后返回源程序继续执行。中断过程如下：中断请求、中断响应、中断处理和中断返回。
计算机中有多个中断源，有可能在同一时刻有多个中断源向CPU发出中断请求，这种情况下CPU按中断源的中断优先级顺序进行中断响应。
中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时性要求。缺点是对系统的性能要求较高。
3）直接存储器访问方式（DMA）
图3-8 直接存储器访问方式
DMA方式指高速外设与内存之间直接进行数据交换，不通过CPU并且CPU不参加数据交换的控制。工作过程如下：外设发出DMA请求，CPU响应DMA请求，把总线让给DMA控制器，在DMA控制器的控制下通过总线实现外设与内存之间的数据交换，见图3-8。DMA最明显的一个特点是它不是用软件而是采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入，大大提高了CPU的工作效率。
2．输入输出设备
1）输入设备
常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。
（1）键盘的分类。按键盘的键数分，键盘可分为83键、101键盘、104键盘、107键盘等；按键盘的形式分，键盘可分为有线键盘、无线键盘、带托键盘和USB键盘等。
（2）鼠标的分类。按照工作原理，鼠标可分为机械式鼠标、光电式鼠标两类。按鼠标的形式分，鼠标可分为有线鼠标和无线鼠标。
（3）扫描仪的分类。扫描仪通过光源照射到被扫描的材料上来获得材料的图像。扫描仪常用的有台式、手持式和滚筒式3种。分辨率是扫描仪很重要的特征，常见扫描仪的分辨率有300×600、600×1200等。
2）输出设备
常用的输出设备有显示器、打印机等。
（1）显示器。按使用的器件分类可分为阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）和等离子显示器；按显示颜色可分为彩色显示器和单色显示器。显示器的主要性能指标有像素、分辨率、屏幕尺寸、点间距、灰度级、对比度、帧频、行频和扫描方式。
（2）打印机。打印机分为针式打印机、喷墨打印机、激光打印机、热敏打印机4种。
3）其他输入输出设备
包括数码相机DC、数码摄像机DV、手写笔、投影机、扫描仪、绘图仪等。
3．I/O接口
1）接口的功能
使主机和外设能够按照各自的形式传输信息，见图3-9。
图3-9 I/O接口
2）几种接口
（1）显示卡：主机与显示器之间的接口。
（2）硬盘接口：IDE接口、EIDE接口、ULTRA接口和SCSI接口等。
（3）串行接口：COM端口，也称为串行通信接口。
（4）并行接口：是一种打印机并行接口标准。