運算器包括ALU、累加器、數據緩沖寄存器和狀態寄存器，而控制器的核心是操作控制器，圍繞它的有程序計數器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器(ID)和時序產生器。

　　八、存儲器

　　1.存儲器的基本組成及其讀寫操作

　　(1)存儲器的基本組成部分

　　主存儲器由存儲體、地址譯碼電路、驅動電路、讀寫電路和控制電路等組成。主存儲器的主要功能是:①存儲體:是信息存儲的集合體，由某種存儲介質按一定結構組成的存儲單元的集合。通常是二維陣列組織，是可供CPU和計算機其他部件訪問的地址空間。

　　2.RAM的結構、組織及其應用

　　半導體存儲器有體積小、存取速度快、生產制造易于自動化等特點，其性能價格比遠遠高于磁芯存儲器，因而得到廣泛的應用。

　　半導體存儲器的種類很多，就其制造工藝可以分成雙極型半導體存儲器和金屬-氧化物-半導體存儲器(簡稱MOS型存儲器)。MOS型存儲器按其工作狀態又可以分為靜態和動態兩種。動態存儲器必須增設恢復信息的電路，外部線路復雜。但其內部線路簡單，集成度高，價格較靜態存儲器便宜。因此經常用做大容量的RAM。

　　靜態存儲器和動態存儲器的主要差別在于:靜態存儲器存儲的信息不會自動消失，而動態存儲器存儲的信息需要在再生過程的幫助下才能保持。但無論雙極型或MOS型存儲器，其保持的信息將隨電源的撤消而消失。

　　(1)RAM的組織

　　半導體RAM芯片是在半導體技術和集成電路工藝支持下的產物。一般計算機中使用的RAM芯片均是有自己的存儲體陣列、譯碼電路、讀寫控制電路和I/O電路。

　　①RAM的并聯

　　為擴展存儲器的字長，可以采用并聯存儲器芯片的方式實現。

　　②RAM的串聯

　　為擴展存儲器的存儲單元數量，可以采用多個芯片地址串聯的方式解決。

　　③地址復用的RAM組織

　　隨著大規模集成電路技術的發展，使得一塊存儲器芯片能夠容納更多的內容。其所需地址線隨之增加，為了保持芯片的外部封裝不變，一般采用地址復用的技術，采用地址分批送入的結構保證不增加芯片的地址引腳。

　　(2)RAM的實際應用

　　由于一個存儲器的芯片一般不能滿足使用的要求，所以通常將若干個存儲器芯片按串聯和并聯的兩種方式相結合連接，組成一定容量和位數的存儲器。

　　如果設計的存儲器容量有x字，字長為y，而采用的芯片為N×M位。要組成滿足字長要求的存儲器所需芯片數為:y/M。根據容量要求，組成要求容量的RAM所需芯片數為:(x/N)×(y/M)。

　　3.ROM的工作原理及其應用

　　使用時只讀出不寫入的存儲器稱為只讀存儲器(ROM)。ROM中的信息一旦寫入就不能進行修改，其信息斷電之后也仍然保留。一般用于存放微程序、固定子程序、字母符號陣列等信息。ROM和RAM相比，使用時不需寫入、再生和刷新等操作，所以其電路比較簡單，但同樣有地址譯碼器、數據讀出電路等。制作ROM的半導體材料有二極管、MOS電路和雙極型晶體管等。因制造工藝和功能不同，一般分為普通ROM、可編程ROM(PROM)、可擦寫可編程ROM(EPROM)和電可擦寫可編程ROM(EEPROM)等。

　　(1)ROM的工作原理

　　一般的ROM使用掩模式ROM。這類ROM由生產廠家做成，用戶不能加以修改。

　　掩模ROM的特點是其存儲內容出廠時由生產廠家一次制成，用戶不能對其內容進行修改，而依賴于生產廠家，這種RAM適用于定型批量制作。在實際使用過程中，部分用戶希望自己根據需要填寫ROM的內容，因此產生可編程ROM(PROM)。PROM與掩模ROM的主要區別是PROM在出廠時其內容均為“0”或“1”，用戶在使用前按照自己的需要利用工具將編碼寫入PROM中，一次寫入不可修改。PROM的使用相當于由用戶RAM生產中的最后一道工序———向RAM中寫入編碼，其余同掩模RAM的使用完全相同。

　　(2)EPROM和EEPROM的工作原理

　　為了適應程序調試的要求，針對一般PROM的不可修改特性，設計出可以多次擦寫的可編程ROM(EPROM)。其特點是可以根據用戶的要求用工具擦去RAM中原有的存儲內容，重新寫入新的編碼。擦除和寫入可以根據用戶的要求用工具擦去RAM中原有的存儲內容，重新寫入新的編碼。擦除和寫入可以多次進行，其信息的內容同樣不會因斷電而丟失。最常見的EˉPROM是UVEPROM，其存儲元件常用浮置柵型MOS管組成。出廠時全部置“0”或“1”，由用戶通過高壓脈沖寫入信息。擦寫時通過其外部的一個石英玻璃窗，利用紫外線的照射，使浮柵上的電荷獲得高能而泄漏，恢復原有的全“0”或“1”狀態，允許用戶重新寫入信息。平時窗口上必須貼有不透明膠紙，以防光線進入而造成信息流失。

　　另有一種EPROM是通過電氣方法擦除其中的已有內容，也稱為電可擦寫編程ROM(EEPROM)。

　　4.外存儲器的工作原理

　　外存儲器是指那些不能被CPU直接訪問的，讀取速度較內存慢，容量比內存大，通常用來存放不常用的程序和數據的存儲器。磁帶、磁盤存儲器是現今最常用的外存，因其利用磁表面介質存儲數據，通常也稱為磁表面存儲器。而光盤是外存發展的方向，有必要了解它們的原理和應用。

　　(1)磁盤存儲器

　　磁盤存儲器具有容量大，存取速度高(相對其他種類外存儲器)的特點，因而在各種類型的計算機中普遍被用做主要的外存儲器。磁盤存儲器避免了磁帶存儲的缺點。磁盤存儲器將磁性材料涂粘在以某種材料為主的盤形圓片上，用若干封閉的圓形磁道代替了磁帶的長形磁道。使用時，通過磁盤面的高速旋轉代替磁帶的直線運動，減少尋找特定位置的時間。

　　磁盤存儲器由磁盤、磁頭、定位系統和傳動系統等部分組成，一般也將這些部件統稱為磁盤驅動器。根據盤片的基本組成材料將磁盤分為硬盤和軟盤兩種。所謂硬盤是指由金屬材料制成一定厚度的盤片基體，這些盤片一般組合成盤片組構成硬盤驅動器的存儲主體。

　　軟盤和硬盤盤片記錄信息的方式相同，都是將每個盤面由外向內分成若干個磁道，每個磁道也劃分為多個扇區，信息以扇區為單位存儲。

　　(2)光盤存儲器

　　所謂光盤(CD)是利用光學原理讀寫信息的存儲器。由于光盤的容量大、速度較快、不易受干擾等特點，光盤的應用愈來愈廣泛。

　　光盤系統一般是由光學、電氣和機械部件組成。

　　從結構上看光盤存儲器同磁盤存儲基本相同，兩者均有存儲信息的盤片、機械驅動部件、定位部件和讀寫機構。不同的是后者利用磁性原理存儲信息，利用磁頭存取信息;而前者是利用光學原理存儲信息并用光學讀寫頭來存取這些信息。

　　光盤本身是靠盤面上一些能夠影響光線反射的表面特征存儲信息，例如現在常用的只讀光盤(CD-ROM)上利用光盤表面的凹凸不平表示“0”和“1”。以CD-ROM為例，讀取數據時，由機械驅動部件和定位部件負責確定讀取的位置。激光器發出激光經光學線路至聚焦透鏡射向光盤表面，表面的凹凸不平造成反射光的變化，利用數據光檢測器將這些變化轉換為數據“0”和“1”的電信號傳輸到數據輸出端，整個讀取工作完成。其他類型光盤的寫入過程大體與此相同，唯一的差別是數據自數據輸入端傳來。

　　一般將光盤存儲器分為只讀式(readonly)、一次寫入式(writeonce)和可擦式(erasable)或可逆式(reversible)三種。只讀式光盤利用材料表面的凹凸不平的特征記錄信息，在出廠前由生產廠家將有關信息存放到光盤上。對于一次寫入式光盤，用戶可以利用會聚的激光束在光盤表面照射使材料發生永久性變化而記錄信息。這種光盤現已普遍用于多媒體系統。可擦式光盤利用激光在磁性材料上或相變材料上實現信息的存儲和擦除。

　　光盤存儲器的記錄密度高，存儲容量大，一片5.25英寸大小的一次寫入式光盤可以存儲680MB的信息，其容量遠遠大于外形同樣大小的軟磁盤。光盤信息的保存時間也比磁盤的長。目前影響光盤普遍應用的主要原因是光盤存儲器的讀寫速度慢和光盤驅動器的成本高。隨著技術的進步，以上問題是可以解決的。因此光盤存儲器有廣泛的應用前景。

　　5.虛擬存儲的概念、作用和工作過程

　　(1)虛擬存儲的概念、作用

　　一般將由主存和部分輔存組成的存儲結構稱為虛擬存儲器，其對應的存儲地址稱為虛擬地址(邏輯地址)，其對應的存儲容量稱為虛擬容量。將實際主存地址稱為物理地址或實地址，主存的容量稱為實存容量。

　　當用虛擬地址訪問主存時，系統首先查看所用虛擬地址對應的單元內容是否已裝入主存。如果在主存中，可以通過輔助軟、硬件自動把虛擬地址變成主存的物理地址后，對主存相應單元進行訪問。如果不在主存中，通過輔助的軟、硬件將虛擬地址對應的內容調入主存中，然后再進行訪問。因此，對虛擬存儲器的每次訪問都必須進行虛實地址的變換。