Day2 导论 之 「存储器，IO，微机工作原理」

接上回，已经谈到微处理器模型的组成，下面开始梳理存储器，输入输出接口的概述。

微处理器

存储器概述

在学习微机原理，通常讨论的存储器指的是主存，也就是断电后数据会丢失。

类似把矿泉水最小化分成水分子一样，存储器的最小组成单元我们称之为「存储单元」。当然还存在类似于“矿物质的微量元素”，那部分就是设计好了的用于读取存储信息的电路组成了，并非存储器讨论的主体，这里不做过多介绍。

每一个存储单元一般存放一个字节（8位）的二进制信息，每个存储器“体质”不一样，所以有的型号的存储器，一个存储单元可能存放的是16位的二进制信息。这个二进制信息为数据或指令。

存储单元就类似于一户房子，会有自己编号，我们一般称之为地址，通常情况下，存储体的每一个存储单元规格都是一样大的（比如都是8位，16位），所以我们计算存储单元的总数目，就知道存储容量了。存储单元的数目取决于地址线的根数，地址线是用于选择哪一个存储单元的。

如何计算存储容量？下面举两个例子。

1. 在一个 8 位机中，有16条地址线，则寻址范围为 2^16 B=64KB.
2. 如果是16位机，有20条地址线，则寻址范围是 2^20 B=1024 KB.
   想知道存储容量，我们要知道是几位机，但计算寻址范围，我们只需知道有多少地址线即可。

存储器组成

为了方便讨论交流，我们会以画图替代语言组织。下图就是很常见的一个存储器的结构简图。

这个存储器的地址从00，01，，，一直到FF，可以得出一共有16x16 = 256个存储单元，而每个存储单元是8位的。
故，这个是一个 256x8 位的读写存储器。

可以看出，存储器主要由存储器，地址译码器，控制电路组成，所以我们画简图时关注这几个就可以了。

存储器读写过程

以 地址为 04H ，内容为 1001011 的存储单元为例。

Step1. CPU要想读取存储器的内容，需要知道单元的地址。所以由CPU中的地址寄存器AR给出地址 04H，通过地址总线AB传送到地址译码器，地址译码器根据04H“翻译”，知道要找的是04这个存储单元。

Step2. CPU发出“读”控制信号给存储器，让存储器将这个地址为04H的存储单元所存放的内容放到数据总线DB上。这个内容为“10010111”。

Step3. 04单元的内容“10010111”被放到数据总线DB上，传送到数据寄存器DR中，最后由CPU使用。

以上是一个地址04H读取的过程，地址08H的写的过程与之类似，只不过需要注意的是，读操作后，存储器的内容还在，而写操作后，存储器的内容会被清除覆盖。

输入/输出接口概述

本参考书后面会有单独的一个章节对输入/输出接口进行相关介绍，这里依旧只是进行简单的了解。

首先，要知道计算机的各部件之间并不是直接相连的，可能会受到规格不一样，协议不一样、电平不一致等诸多原因影响，所以需要一个“中间媒介”进行一个过渡，这就是接口。

在CPU与外设之间的连接，被称为输入/输出(I/O)接口。

接口的基本结构包括两部分：寄存器或缓冲器、控制逻辑。就像两个口径相差很大的水管连接，需要有一段平缓的连接，以及控制相连与拆开的设计。当然接口的控制逻辑更复杂，涉及到控制电信号方面的操作。

微机的工作原理与程序执行过程

计算机的工作原理是“存储程序”+“程序控制”。也就是得先把程序指令写好存下来，再被转换读取加以执行。因此，微机的工作过程可划分为两个基本阶段：取指令和执行指令。

程序执行过程

参考书上的解释并不难理解，所以这里没有重抄一遍，主波根据自己的理解做了一个简单总结。

1. 取指阶段（Fetch）

• 步骤：
  • CPU的内部寄存器 **程序计数器（PC）**中存放着将要执行指令的地址。
  • CPU通过地址总线将地址发送到内存。因为CPU目前只知道地址，所以要寻址。
  • 内存通过数据总线将指令传回CPU，存入指令寄存器（IR）。
  • 程序计数器（PC） 会自动递增，指向下一条指令地址。

PS：在后面学到的8086的IP与这里的PC功能一样，此时无需了解。

2. 译码阶段（Decode）

CPU并不认识指令(因为指令使用汇编语言)，所以需要转换为机器认识的二进制数。

• 步骤：
  • 指令译码器解析指令寄存器中的指令，确定操作类型（如加法、数据传输等）和操作数地址。
  • 控制器根据指令发出对应的控制信号，协调后续操作。

3. 执行阶段（Execute）

• 步骤：
  • CPU根据指令类型进行具体的操作。比如：
    运算操作：若指令涉及计算（如加减法），运算器（ALU）从寄存器或内存读取数据，执行运算。
    数据传输：若指令涉及数据传送（如从内存加载到寄存器），CPU通过总线完成数据传输。
    跳转操作：若指令是分支（如条件跳转），修改PC的值以改变执行顺序。

在指令执行完毕后，转入下一条指令的取指阶段。而微机的工作过程就是不断取指令和执行指令的循环过程。

总结

以上基本上是第一章的学习记录，先休息玩两天再继续学习。