微機原理01資料

1、微機(wi j)原理(2001)1共五十五頁課程目標微機原理是學習和掌握微機硬件知識和匯編語言程序設計的入門(r mn)課程：微型計算機的基本工作原理匯編語言程序設計微型計算機接口技術建立微型計算機系統(tǒng)的整體概念，形成微機系統(tǒng)軟硬件開發(fā)的初步能力2共五十五頁主要參考書仇玉章主編(zhbin)，32位微型計算機原理與接口技術，清華大學出版社，2000.8考核(koh)方式平時作業(yè)15% 實驗15%期末考試 70%3共五十五頁教學大綱第一章 微型計算機系統(tǒng)概論第二章 Pentium微處理器的體系結構第三章 Pentium微處理器的指令系統(tǒng)第四章 匯編語言程序設計第五章 Pentium微處理器的硬件

2、結構第六章 存儲器系統(tǒng)第七章 I/O接口技術第八章 中斷與中斷控制(kngzh)第九章 總線4共五十五頁第一章 微型(wixng)計算機系統(tǒng)概論1.1 微型計算機概述 1.1.1微型計算機系統(tǒng)的三個層次 1.1.2 微型計算機的常用術語和指標 1.1.3 微型計算機的發(fā)展1.2 微型計算機的組成和結構 1.2.1微型計算機的組成 1.2.2 微型計算機的結構1.3 微型計算機的工作原理 1.3.1 馮諾依曼存儲程序(chngx)工作原理 1.3.2 微型計算機的工作過程1.4 微型計算機內信息的表示 1.4.1 進位計數(shù)制及其相互轉換 1.4.2 數(shù)值數(shù)據的表示 1.4.3 非數(shù)值數(shù)據的表示5

3、共五十五頁1.1 微型(wixng)計算機概述世界上第一臺現(xiàn)代意義(yy)的電子計算機是1946年美國賓夕法尼亞大學設計制造的ENIAC6共五十五頁電子計算機的發(fā)展：電子管計算機（1946-1956）晶體管計算機（1957-1964）中小規(guī)模集成電路計算機（1965-1970）超大規(guī)模集成電路計算機（1971-今）電子計算機按其性能分類：大型計算機 中型(zhngxng)計算機小型計算機微型計算機 微型(wixng)計算機是第四代計算機的典型代表1.1 微型計算機概述7共五十五頁微型計算機系統(tǒng)的三個層次(cngc)微處理器嚴格講，微處理器 CPUCPU由算術邏輯部件(ALU)和控制部件兩大主要

4、部分組成，實現(xiàn)運算功能和控制功能微處理器除算術邏輯部件和控制部件以外，還包含一組寄存器（Registers）以及高速緩沖存儲器（Cache）等特殊的存儲器。將這些部件集成在一片大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路封裝之中，這個器件才被稱為微處理器8共五十五頁微型計算機系統(tǒng)的三個層次微型計算機以微處理器為核心，配上由大規(guī)模集成電路制作的只讀存儲器（ROM）、讀寫存儲器（RAM）、輸入輸出接口電路及系統(tǒng)總線等所組成的計算機，稱為微型計算機。將這些(zhxi)組成部分集成在一片超大規(guī)模集成電路芯片上，稱為單片微型計算機，簡稱單片機。9共五十五頁微型計算機系統(tǒng)的三個層次微型計算機系統(tǒng)以微型計算機為中心，配

5、以相應的外圍設備以及控制微型計算機工作的軟件，就構成了完整(wnzhng)的微型計算機系統(tǒng)。微型計算機如果不配有軟件，通常稱為裸機軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。10共五十五頁微型(wixng)計算機系統(tǒng)的三個層次：微處理器微型計算機 微型計算機系統(tǒng)系統(tǒng)軟件(x tn run jin)應用軟件微處理器存儲器I/O接口總線 硬 件軟 件微 型計算機系 統(tǒng)微 型計算機外 設ALU寄存器控制部件鍵盤、鼠標顯示器軟驅、硬盤、光驅 打印機、掃描儀11共五十五頁微型計算機的常用(chn yn)術語1位和字節(jié)(z ji)位（bit）是計算機所能表示的最小最基本的數(shù)據單位，它指的是取值只能為0或1的一個二進

6、制數(shù)值位。位作為單位時記作b字節(jié)（byte）由8個位二進制位組成，通常用作計算存儲容量的單位。字節(jié)作為單位時記作BK是kelo的縮寫，1K=1024=210；M是mega的縮寫，1M=1024K=220；G是Giga的縮寫，1G=1024M=230；T是tera的縮寫，1T=1024G=240。12共五十五頁微型計算機的常用(chn yn)術語2字長字長是微處理器一次可以直接處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)，它通常取決于微處理器內部通用寄存器的位數(shù)和數(shù)據總線的寬度。微處理器的字長有4位、8位、16位和32位等等(dn dn)。8088稱為準16位微處理器，而80386SX稱為準32位微處理器。13共五十

7、五頁微型(wixng)計算機的常用術語3主頻主頻也叫做時鐘頻率，用來表示(biosh)微處理器的運行速度，主頻越高表明微處理器運行越快，主頻的單位是MHz。早期微處理器的主頻與外部總線的頻率相同，從80486DX2開始，主頻=外部總線頻率倍頻系數(shù)外部總線頻率頻率通常簡稱為外頻，它的單位也是MHz，外頻越高說明微處理器與系統(tǒng)內存數(shù)據交換的速度越快，因而微型計算機的運行速度也越快。倍頻系數(shù)是微處理器的主頻與外頻之間的相對比例系數(shù)。通過提高外頻或倍頻系數(shù)，可以使微處理器工作在比標稱主頻更高的時鐘頻率上，這就是所謂的超頻。14共五十五頁微型(wixng)計算機的常用術語4MIPSMIPS是Millio

8、ns of Instruction Per Second的縮寫，用來表示微處理器的性能，意思是每秒鐘能執(zhí)行多少百萬條指令由于執(zhí)行不同類型(lixng)的指令所需時間長度不同，所以MIPS通常是根據不同指令出現(xiàn)的頻度乘上不同的系數(shù)求得的統(tǒng)計平均值。主頻為25MHz的80486其性能大約是20MIPS，主頻為400MHz的Pentium II的性能為832 MIPS5iCOMP指數(shù)iCOMP指數(shù)是Intel公司為評價其32位微處理器的性能而編制的一種指標，它是根據微處理器的各種性能指標在微型計算機中的重要性來確定的，iCOMP指數(shù)包含的指標有整數(shù)數(shù)學計算、浮點數(shù)學計算、圖形處理以及視頻處理等，這些

9、指標的重要性與它們在應用軟件中出現(xiàn)的頻度有關，所以iCOMP指數(shù)說明了微處理器在微型計算機中應用的綜合性能。15共五十五頁iCOMP指數(shù)(zhsh)16共五十五頁微型計算機的常用(chn yn)術語6微處理器的生產工藝指在硅材料上生產微處理器時內部各元器件間連接線的寬度，一般以m為單位，數(shù)值越小，生產工藝越先進，微處理器的功耗和發(fā)熱量越小。目前微處理器的生產工藝已經達到0.18m。7微處理器的集成度指微處理器芯片(xn pin)上集成的晶體管的密度。最早Intel 4004的集成度為2250個晶體管，Pentium III的集成度已經達到750萬個晶體管以上，集成度提高了3000多倍。17共五

10、十五頁微型(wixng)計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征(bio zhn)的微處理器的集成度每隔18個月就會翻一番，芯片的性能也隨之提高一倍-摩爾定律1971年1977年是微處理器發(fā)展的早期階段:字長為4位或8位，集成度約為300010000晶體管/片，微處理器的主頻為0.15MHz。1971年：Intel 4004，是世界上第一片單片微處理器4位微處理器，尋址空間為4096個半字節(jié), 指令系統(tǒng)包括45條指令1972年：Intel 8008，是世界上第一片8位微處理器。8008采用了10m生產工藝，集成度為3500個晶體管，工作頻率為200KHz。18共五十五頁1974年：

11、Intel 8080采用了6m生產工藝，集成度為6000個晶體管，主頻為2MHz。1975年4月，MITS公司推出了以8080為CPU的世界上第一臺個人計算機Altair 8800。值得一提的是，Altair 8800的BASIC語言解釋器是Bill Gates編寫的1976年： Intel 8080 Intel公司生產的最后一種8位通用微處理器，8085的工作頻率提高到5MHz，指令(zhlng)系統(tǒng)的指令(zhlng)數(shù)上升到246條。微型(wixng)計算機的發(fā)展19共五十五頁第一代：8086/8088（1978年-1981年）1978年-8086采用了3m工藝，集成了29,000個晶體

12、管，工作頻率為4.77 MHz。它的寄存器和數(shù)據總線均為16位，地址總線為20位，從而使尋址空間達1MB。同時(tngsh)，CPU的內部結構也有很大的改進，采用了流水線結構，并設置了6字節(jié)的指令預取隊列1979年-8088除了它的數(shù)據總線為8位以外，其余均與8086相同。8088采用8位數(shù)據總線是為了利用當時現(xiàn)有的8位設備控制芯片。由于8088內部支持16位運算，而與I/O之間傳輸為8位，故8088稱為準16位微處理器。1981年8月，IBM公司推出以8088為CPU的世界上第一臺16位微型計算機IBM 5150 Personal Computer，即著名的IMB PC。X86系列微型(wi

13、xng)計算機的發(fā)展20共五十五頁第二代：80286（1982年-1984年）采用1.5m工藝，集成了134,000個晶體管，工作頻率為6MHz。80286的數(shù)據總線仍然為16位，但是地址總線增加到24位，使存儲器尋址空間達到16MB。1985年IBM公司推出以80286為CPU的微型計算機IBM PC/AT，并制定了一個(y )新的開放系統(tǒng)總線結構，這就是的工業(yè)標準結構（ISA）。該結構提供了一個(y )16位、高性能的I/O擴展總線。80年代中期到90年代初，80286一直是微型計算機的主流CPU。在這一時期，還誕生了世界上最早的芯片組（chipsets）。X86系列(xli)微型計算機的

14、發(fā)展21共五十五頁第三代：80386（1985年-1988年）第一個實用的32位微處理器，采用了1.5m工藝，集成了275,000個晶體管，工作頻率達到16MHz。80386的內部寄存器、數(shù)據總線和地址總線都是32位的。通過32位的地址總線，80386的可尋址空間達到4GB。這時由32位微處理器組成的微型計算機已經達到超級小型機的水平。80386的其他一些版本：80386SX，包含(bohn)16位數(shù)據總線和24位地址總線，尋址空間為16MB；80386SL80386SLC，包含(bohn) l6位數(shù)據總線和25位地址總線，尋址空間為32MB。由于這些微處理器由于與I/O之間傳輸為16位，故也

15、稱為準32位微處理器。X86系列(xli)微型計算機的發(fā)展22共五十五頁第四代：80486（1989年-1992年）采用1m工藝，集成了120萬個晶體管，工作頻率為25MHz。80486微處理器由三個部件組成：一個80386體系結構的主處理器，一個與80387相兼容的數(shù)學協(xié)處理器和一個8KB容量的高速緩沖存儲器。80486把80386的內部結構做了修改，大約有一半的指令在一個時鐘周期內完成，而不是原來的兩個，這樣80486的處理速度一般比80386快2到3倍。Intel公司(n s)還生產過80486的其他一些版本：80486SX，工作頻率20MHz，不包含數(shù)學協(xié)處理器；80486DX2，采用

16、雙倍時鐘，內部執(zhí)行速度達到66MHZ，內存存取速度為33MHz；80486DX4，采用三倍時鐘，內部執(zhí)行速度達到100MHZ，內存存取速度為33MHz。X86系列微型(wixng)計算機的發(fā)展23共五十五頁第五代：Pentium（1993年-1997年）Pentium處理器的發(fā)展分成三代(sn di)第一代Pentium處理器（以P5代稱，1993年）采用0.8m工藝技術，集成了310萬個晶體管，工作頻率為60MHz/66MHz。第二代Pentium處理器（以P54C代稱，1994年）采用0.6m工藝，工作頻率為90MHz/100MHz。第三代Pentium MMX（以P55C代稱1997年）

17、增加了57條多媒體指令在體系結構上， Pentium在內核中采用了RISC技術，可以說它是CISC和RISC技術相結合的產物X86系列微型(wixng)計算機的發(fā)展24共五十五頁第六代：P6（1996-今）Pentium Pro、Pentium II、Pentium III采用0.6 m -0.18m工藝，集成度550萬-750萬晶體管，時鐘頻率166MHz-1GHz，采用二級高速緩存，2級超標量流水線結構，一個時鐘周期(zhuq)可以執(zhí)行3條指令X86系列(xli)微型計算機的發(fā)展第七代：未來-64位Mecerd（P7）25共五十五頁X86系列微型(wixng)計算機的發(fā)展代字長(z chn

18、)型號工藝集成度(萬個)主頻速度(MIPS)1168086334.77-1030026共五十五頁1.2 微型計算機的組成(z chn)和結構微型(wixng)計算機的組成由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成27共五十五頁微型(wixng)計算機的結構存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數(shù)據總線 DB控制總線 CB地址總線 AB輸出設備CPU各部件通過總線連接，總線連接多個功能(gngnng)部件的一組公共信號線28共五十五頁微型(wixng)計算機的結構地址總線AB：用來(yn li)傳送CPU輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口。地址總線的條數(shù)決定微處理器的尋址

19、能力數(shù)據總線DB：用來在CPU與存儲器、I/O接口之間進行數(shù)據傳送數(shù)據總線的條數(shù)決定微處理器一次最多可以傳送的數(shù)據寬度控制總線CB：以來傳送各種控制信號29共五十五頁1.3 微型(wixng)計算機的工作原理馮諾依曼存儲程序(chngx)工作原理數(shù)據和程序以二進制代碼的形式不加區(qū)別地存放在存儲器中，存放位置由地址指定，地址碼也是二進制形式控制器根據存放在存儲器中的指令序列（即程序）工作，并由一個程序計數(shù)器（PC）控制指令的執(zhí)行。控制器具有判斷能力，能夠根據計算結果選擇不同的動作流程存儲程序工作原理是指把程序存儲在計算機內，使計算機能像快速存取數(shù)據一樣地快速存取組成程序的指令。為實現(xiàn)控制器自動連

20、續(xù)地執(zhí)行程序，必須先把程序和數(shù)據送到具有記憶功能的存儲器中保存起來，然后給出程序中第一條指令的地址，控制器就可依據存儲程序中的指令順序周而復始地取指令、譯碼、執(zhí)行，直到完成全部指令操作為止，即控制器通過指令流的串行驅動實現(xiàn)程序控制30共五十五頁微型計算機的工作(gngzu)過程微型計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，而程序由指令序列組成，因此(ync)，執(zhí)行程序的過程，就是執(zhí)行指令序列的過程，即逐條地從存儲器中取出指令并完成指令所指定的操作。由于執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個基本步驟，所以，微型計算機的工作過程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的過程，直到遇到停機指令時才結束機器的運

21、行。31共五十五頁微型計算機的工作(gngzu)過程計算(j sun)1+2=?匯編語言程序對應的機器指令 對應的操作MOV AL, 110110000將立即數(shù)1傳送到累加寄存器AL中00000001ADD AL, 200000100計算兩個數(shù)的和，結果存放到AL中00000010MOV 0008, AL10100010將AL中的數(shù)傳送到地址單元00080000100100000000HLT11110100停機32共五十五頁微型(wixng)計算機的工作過程33共五十五頁1.4 微型計算機的內信息(xnx)的表示進位計數(shù)(j sh)制及其相互轉換數(shù)字電路講過，請自行復習，或看書P.134共五十

22、五頁數(shù)值數(shù)據的表示(biosh)符號(fho)數(shù)的表示把二進制數(shù)的最高一位定義為符號位，符號位為0表示正數(shù)，符號位為1表示負數(shù)這種在計算機中使用的、連同符號位一起數(shù)值化了的數(shù)，稱為機器數(shù)。機器數(shù)所表示的真實的數(shù)值，稱為真值。對于符號數(shù)，機器數(shù)常用的表示方法有原碼、反碼和補碼三種。數(shù)X的原碼記作X原，反碼記作X反，補碼記作X補。最高位表示符號，數(shù)值位用二進制絕對值表示的方法，稱為原碼表示法一個負數(shù)的原碼符號位保持不變，其余位取反就是機器數(shù)的反碼表示法。正數(shù)的反碼與原碼相同。將負數(shù)的反碼加1，則得到機器數(shù)的補碼表示。正數(shù)的補碼與原碼相同。35共五十五頁真值X=+18=+0010010X=-18=-

23、0010010X= +0=+0000000X= -0=-0000000原碼(yun m)X原=00010010X原=10010010X原=00000000X原=10000000符號(fho)符號位n位原碼表示數(shù)值的范圍是 ，對應的原碼是11110111。0的原碼有兩種形式。原碼36共五十五頁真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010X= +0=+0000000X= -0=-0000000反碼(fn m)X反=00010010X反=11101101X反=00000000X反=11111111符號(fho)符號位反碼n位反碼表示數(shù)值的范圍是 ，對應的反碼是10000111。0的反

24、碼有兩種形式。37共五十五頁補碼(b m)真值X=+18=+0010010X=-18=-0010010X= +0=+0000000X= -0=-0000000補碼(b m)X補=00010010X補=11101110X補=00000000X補=00000000符號符號位n位補碼表示數(shù)值的范圍是 ，對應的補碼是10000111。0的補碼只有一種形式。將補碼還原為真值時，如果補碼的最高位是0，則為正數(shù)，后面的二進制序列值即為真值；如果補碼的最高位是1，則為負數(shù)，應將其后的數(shù)值位按位求反再加1，所得結果才是真值。38共五十五頁補碼加減法的運算規(guī)則XY補=X補+Y 補其中(qzhng)X，Y為正負數(shù)均

25、可，符號位參與運算。模（module）就是一個計數(shù)系統(tǒng)的最大容量，其大小等于以進位計數(shù)制基數(shù)為底，以位數(shù)為指數(shù)的冪。凡是用器件進行的運算都是有模運算，運算結果超過(chogu)模的部分被運算器自動丟棄。因此，當器件為n位時，有，X=2n+X (mod 2n)不難驗證， X補=2n+X (mod 2n)因此， XY補= 2n+ (XY) (mod 2n) = (2n+ X)+ (2n+ X) = X補+ Y補39共五十五頁補碼加減法的運算(yn sun)規(guī)則例. 設X = 23，Y = -42，以28為模，用補碼(b m)運算求X + Y和X - Y。40共五十五頁采用補碼，可以將減法(jinf

26、)用加法實現(xiàn)，省去減法(jinf)器，簡化硬件先對減數(shù)進行求補運算（求反加1，也是加法(jif)）再將求補后的數(shù)與被減數(shù)相加相加的結果即為用補碼表示的兩數(shù)相減結果。 01011010 1 01011011 01000100 01000100B - 10100101B 10011111計算機中實現(xiàn)過程41共五十五頁無符號(fho)數(shù)的表示無符號數(shù)的最高位不是(b shi)符號位而是數(shù)值的一部分無符號數(shù)和有符號數(shù)的加減運算可以用同一電路完成42共五十五頁進位(jnwi)和溢出進位在加法過程中，符號位向更高位(o wi)產生進位；在減法過程中，符號位向更高位產生借位 1 0 1 1 0 1 0 1

27、+ 1 0 0 0 1 1 1 1進位 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 043共五十五頁進位(jnwi)和溢出溢出運算(yn sun)結果超出范圍 1 0 1 1 0 1 0 1 + 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0溢出的判斷方法：由參與運算的兩數(shù)及結果的符號位進行判斷，如果符號相同的兩數(shù)相加，所得結果的符號與之相反，結果溢出。符號相異的兩數(shù)相減，所得結果的符號與減數(shù)相同，結果溢出。其他情況，不會產生溢出。44共五十五頁進位(jnwi)和溢出有符號(fho)數(shù)運算，有溢出表示結果為錯誤的無符號數(shù)運算，有進位表示結果為錯誤的 1 0 1 1

28、0 1 0 1 + 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 + 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 + 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 145共五十五頁浮點數(shù)的表示(biosh)任意一個二進制實數(shù)X都可以表示(biosh)成如下一般格式：10.010111012+5的階碼為+5，表示把尾數(shù)的小數(shù)點向右移動5位就是小數(shù)點的實際位置規(guī)格化處理：整數(shù)部分必須是146共五十五頁浮點數(shù)的表示(biosh)Pentium微處理器支持(zhch)的浮點格式P

29、entium將階碼以一種偏置形式存放于格式之中，即將真階碼加上一個常數(shù)偏置值才是格式階碼，以保證偏置后的格式階碼恒為正數(shù)。單精度的階碼偏置值為+127，雙精度的階碼偏置值為+1023，擴展精度的階碼偏置值為+16383。一個浮點數(shù)數(shù)的真階碼要通過它的格式階碼減去偏置值而得到。47共五十五頁浮點數(shù)的表示(biosh)例. 寫出178.125以單精度浮點數(shù)形式存放(cnfng)的機器數(shù)。48共五十五頁十進制數(shù)的表示(biosh)8421BCD碼壓縮BCD碼的每一位用4位二進制表示(biosh)，00001001表示(biosh)09，一個字節(jié)表示(biosh)兩位十進制數(shù)。非壓縮BCD碼用一個字節(jié)表示一位十進制數(shù)，高4位總是0000，低4位的00001001表示09。49共五十五頁非數(shù)值數(shù)據的表示(biosh)計算機中除了能夠處理數(shù)值數(shù)據以外，還可以處理文字、語音、圖像等各種信息，這些信息統(tǒng)稱為非數(shù)值數(shù)據非數(shù)值數(shù)據在計算機中也必須以二進制形式表示，非數(shù)值數(shù)據的表示本質上是編碼(bin m)的過程。50共五十五頁 ASCII碼美國(mi u)標準信息交換代碼51共五十五頁采用7位二進制代碼對字符進行(jnxng)編碼數(shù)字09的編碼是01100000111001，它們的高3位均是011