微型计算机硬件组成简介

计算机工作原理万变不离其宗，也就是存储程序控制原理，把操作要求编制成程序代码存放在存储器中，执行程序时逐条取出相应的程序指令并执行。微型计算机一般采用冯·诺依曼结构，它把计算机分成五大组成部分，即输入设备、控制器、运算器、存储器和输出设备，如图1.2所示。其中最核心的控制器和运算器部分由CPU来担任，可见CPU在计算机中的重要地位，所有操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，而控制器根据程序产生控制信号，程序则由编程人员编制并存放在存储器中。

图1.1　微处理器、微型计算机、微型计算机系统的组成及相互关系图

图1.2　微型计算机的冯·诺依曼结构

1）存储器

存储器是计算机中存储程序和数据的部件。计算机的存储器分为两大部分：一部分为内部存储器或主存储器，简称内存或主存；另一部分为外部存储器或辅助存储器，简称外存或辅存。

（1）存储容量

描述存储器存储二进制信息量多少的指标是存储容量。存储二进制信息的基本单位是位（bit，简写为“b”），一般把8个二进制位组成的通用基本单元称为字节（Byte，简写为“B”），微型计算机中是以字节为单位表示存储容量。一个字节只能存储8位信息，能够表示的信息量太小，所以实际中经常使用的容量单位有KB、MB和GB，更大的单位还有TB等，它们之间的关系如下：

它们之间是以210来进行递增的，在数学上它们则是以103来递增的，和计算机中的表示是有区别的。

（2）存储速度

存储速度是描述存储器工作快慢程度的指标，它是指信息存入存储器和从存储器中取出所需要的时间。

（3）存储器类型

①半导体存储器。半导体存储器又分为随机读写存储器RAM和只读存储器ROM。一般RAM用作数据存储器来存储临时数据，它比ROM的读写速度要快很多；ROM用作程序存储器，比如计算机BIOS程序就存放在ROM当中。RAM又可以分为SRAM和DRAM，SRAM集成度没有DRAM集成度高，但是读写速度更快，一般用作高速缓存，比如CPU的Cache；DRAM的集成度更高，经常用作计算机的主存，比如常用的内存条都是DRAM。

②磁记录存储器。磁带、磁盘和硬盘都属于磁记录存储器。前两者因为磁记录介质暴露在空气中，容易受损，可靠性大大降低，同时存储速度也很慢，目前已经被淘汰。硬盘的加工非常精密，所有磁记录介质都被密封起来，可以长期保存数据；同时采用了多磁头、多柱面，读写速度也非常快。

③光盘存储器。光盘是以光信息作为存储的载体并用来存储数据的，具有存储密度高和非易失的特点，经常用来保存数据量很大的多媒体文件，但是它的工作速度要比硬盘慢一个数量级。(www.xing528.com)

④其他存储器。随着技术的发展，目前又出现了FROM、固态硬盘等，甚至还出现了网络存储器，其存储容量越来越大，存储速度也越来越快。

2）微处理器

微处理器是微型计算机的运算和控制指挥中心，不同的微处理器，其性能有所不同，但基本组成是相同的，由运算器、控制器和寄存器3个主要部件组成，如图1.3所示。其中运算器和控制器的结构非常复杂，然而我们在使用计算机时可以忽略这一部分；相反，寄存器的结构和操作比较简单，操作计算机主要就是操作寄存器。因此，计算机学习的重点就是掌握寄存器的使用。

图1.3　微处理器内部结构

（1）运算器

运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，由累加器（A）、暂存器（TMP）、算术逻辑单元（ALU）、标志寄存器（FR）和一些逻辑电路组成。

（2）控制器

控制器是指令执行部件，包括取指令、分析指令（指令译码）和执行指令，由指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和定时控制电路等组成。计算机的所有操作都是在控制器的控制下完成的。

（3）寄存器

寄存器也是CPU的重要组成部分，是CPU进行数据处理必不可少的“存储地”，用来“寄存”数据处理的当前信息。按照用途分为通用寄存器和特殊寄存器，通用寄存器一般用来供用户存取数据，特殊寄存器则拥有特殊的用途，一般不允许用户随便使用，比如用来管理堆栈的寄存器——堆栈指示器SP，还比如用来管理程序步序的程序计数器PC。

图1.4　压栈和弹栈操作

①堆栈是一块设在内存中按先进后出（First In Last Out，FILO）原则组织的存储区域，主要用于子程序及中断程序调用时的现场保护和参数传递，当然用户也可以用来存放数据。数据存入栈区称为压栈（PUSH），从栈区中取出数据称为弹栈（POP）。PUSH和POP操作每次压入或弹出一个元素，元素的大小根据机型和指令的不同而不同。比如8051单片机默认元素大小是1个字节；80486默认元素大小是16位；而STM32-CM3默认元素大小是32位。对于8051单片机，一个元素占1字节；对于80X86微机，一个元素占2字节；而对于STM32-CM3单片机，则一个元素占4字节。压栈和弹栈操作如图1.4所示。

②堆栈指示器SP用于指示当前栈顶元素所在的位置，无论是压栈还是弹栈总是在栈顶进行的。随着对堆栈的压入和弹出操作，SP的值会自动变化。