从“存储程序”计算机的基本结构与特点来说,微型计算机与通常的大、中型计算机没有本质区别,它们都具有冯·诺依曼计算机的基本属性。但是,微型计算机又有着它所独具的结构与性能上的突出优点。特别是随着微型计算机技术的飞速发展,过去在大、中型计算机中所采用的某些设计技术(如高速缓存技术、流水线技术及虚拟存储技术等)也逐渐被应用到微型机的系统中来,使得微型机的结构和性能更加优越。这里,我们先初步介绍微型计算机的基本结构及系统组成特点。对于那些目前在高性能微处理器及微型计算机中所采用的先进结构及设计技术,将在后续章节介绍。
一个微型计算机的基本结构如图2.7所示。
图2.7 微型计算机的基本结构
由图2.7可以看出,微型计算机主要由微处理器、内存储器、I/O接口等部件组成。各部件之间通过地址总线(Address Bus,AB)、数据总线(Data Bus,DB)和控制总线(Control Bus,CB)相互连接与通信。另外,微型计算机通过I/O接口与输入/输出设备相接,完成各种输入/输出操作。
下面分别介绍微型计算机中的几个重要组成部件。
微处理器也称微处理机,是整个微型计算机的中央处理部件(CPU),用来执行程序指令,完成各种运算和控制功能。现代的微处理器均为单片型,即由一片超大规模集成电路制成,其集成度越来越高,性能也越来越强。
从内部结构上,微处理器一般都包含下列功能部件:
(1)算术逻辑部件(ALU);
(2)累加寄存器及通用寄存器组;
(3)程序计数器、指令寄存器和指令译码器;
(4)时序和控制部件。
主存储器是微型计算机的另一个重要组成部件。按读、写能力,它又分为只读存储器(Read Only Memory,ROM)和随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)两大类。ROM对存入的信息只能读出,不能随机写入;RAM可以随机地写入或读出信息。另外,ROM是非易失性存储器,即断电后所存信息并不丢失。因此,ROM主要用于存储某些固定不变的程序或数据,如单板机中的监控程序(Monitor)、PC的初始引导程序以及专用计算机的应用程序等。由半导体电路构成的RAM是易失性存储器,即断电后所存信息随之丢失。它主要用来存储计算机运行过程中随时需要读出或写入的程序或数据。
采用标准的总线结构,是微型计算机组成结构的显著特点之一。所谓总线,就是计算机部件与部件之间进行数据信息传输的一组公共信号线及相关的控制逻辑。它是一组能为计算机的多个部件服务的公共信息传输通路,能分时地发送与接收各部件的信息。总线属于微型计算机的重要组成部件之一。
如图2.6所示,微处理器、主存储器和I/O接口之间通过地址总线、数据总线和控制总线3组总线相连。通常将这3组总线统称为系统总线。
顾名思义,数据总线用来传送数据信息(包括二进制代码形式的指令)。从传输方向看,数据总线是双向的,即数据既可以从微处理器传送到其他部件,也可以从其他部件传送到微处理器。数据总线的位数(也称宽度),是微型计算机的一个重要技术指标。通常它和微处理器本身的位数(即字长)相一致。例如,对于8位的微处理器,数据总线的宽度为8位;对于16位的微处理器,数据总线的宽度为16位等。
地址总线用来传送地址信息。与数据总线不同,地址总线是单向的,即它是由微处理器输出的一组地址信号线,用以给出微处理器所访问的部件(主存储器或I/O接口)的地址。地址总线的位数决定了微处理器可以直接访问的主存或I/O接口的地址范围。一般地说,当地址总线的位数为 N 时,可直接寻址范围为2 N 。例如,当地址总线位数为16时,可直接寻址范围为2 16 =64K单元。
控制总线用来传送控制信息。在控制总线中,有的是微处理器送往存储器或I/O接口部件的控制信号,如读写控制信号、中断响应信号等(关于中断的概念将在后续章节详述);也有的是其他部件送往微处理器的信号,如中断请求信号、准备就绪信号等。
I/O接口是微型计算机的又一个重要组成部件。它的基本功能是用以控制主机与外部设备之间的信息交换与传输。
一个微型计算机系统的组成如图2.8所示。
图2.8 微型计算机系统的组成