微型計(jì)算機(jī)技術(shù)：第1章-1 微機(jī)簡(jiǎn)介

1、12022/8/11學(xué)習(xí)目標(biāo)：理解微型計(jì)算機(jī)工作原理，掌握微型計(jì)算機(jī)軟/硬件的基礎(chǔ)知識(shí)和驗(yàn) 證方法。掌握微型計(jì)算機(jī)硬件接口技術(shù)。為中小規(guī)模的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下 堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)要求：掌握以Intel 8086為代表的X86微處理器的技術(shù)特點(diǎn)和基本結(jié)構(gòu)。掌握80X86系列微處理器構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)的基本組織方式和連接技術(shù)。掌握匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基本指令和編程調(diào)試方法。掌握微型計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器、I/O接口電路、中斷系統(tǒng)、可編程接口芯片工作原理和典型器件。了解微型計(jì)算機(jī)的總線技術(shù)。22022/8/11內(nèi)容豐富知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)少以一定理論為基礎(chǔ)，工程實(shí)踐性強(qiáng)理論性公式少，邏輯性內(nèi)容較多各內(nèi)容關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，

2、需要理解記憶內(nèi)容多 本課程特點(diǎn)內(nèi)容豐富知識(shí)點(diǎn)多，學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)少以一定理論為基礎(chǔ)，工程實(shí)踐性強(qiáng)理論性公式少，邏輯性內(nèi)容較多各內(nèi)容關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，需要理解記憶內(nèi)容多 本課程特點(diǎn)32022/8/11參考書:孫德文，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，高等教育出版社雷麗文，微機(jī)原理與接口技術(shù)，電子工出版社出版楊素行，微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用，清華大學(xué)出版社姚燕南，微型計(jì)算機(jī)原理，西安電子科技大學(xué)出版社劉樂(lè)善，微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)原理及應(yīng)用，華中科技大學(xué)出版社王克義等譯，80X86/Pentium處理器硬件、軟件及接口技術(shù)教程，清華大學(xué)出版社教材:微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，陳慈發(fā)等主編，科學(xué)出版社42022/8/11第一章 微型計(jì)算機(jī)概論1.

3、1 微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介1.2 微型計(jì)算機(jī)組成1.3 微型計(jì)算機(jī)工作原理1.4 計(jì)算機(jī)運(yùn)算基礎(chǔ)52022/8/111.1 微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介一、幾個(gè)概念：微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、微型計(jì)算機(jī)、微處理器運(yùn)算器控制器寄存器微處理器存貯器I/O接口微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件微型計(jì)算機(jī)I/O設(shè)備，電源機(jī)箱等62022/8/11微處理器 是由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理部件，包括運(yùn)算器、控制器和寄存器組。微型計(jì)算機(jī) 是指以微處理器為基礎(chǔ)，配以內(nèi)存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路和輔助電路構(gòu)成的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電路系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 是指微型計(jì)算機(jī)在配以相應(yīng)的外圍設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、光驅(qū)、硬盤等），以及電

4、源、機(jī)箱等硬件基礎(chǔ)上，安裝必要的軟件后構(gòu)成的系統(tǒng)。72022/8/11二、微處理器的發(fā)展 第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)于1946年在美國(guó)誕生（ENIAC），人類從此進(jìn)入電子計(jì)算機(jī)時(shí)代。1958年集成電路技術(shù)的出現(xiàn)，更是為微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。微型計(jì)算機(jī)按單次處理數(shù)據(jù)位寬的不同可分為五代。第一代，1971年1973年，4位微處理器和低檔8位微處理器時(shí)期。典型產(chǎn)品：Intel 4004，Intel 8008。第二代，1973年1978年，8位微處理器時(shí)期。典型產(chǎn)品：Intel 8080，MC6800，Z80，Intel 8085。第三代，1978年1983年，16位微處理器時(shí)期。典型產(chǎn)品：Intel80

5、86， Z8000，MC68000，Intel 80286。第四代，1983年2001年，32位微處理器時(shí)期。典型產(chǎn)品：Z80000，MC68020，Intel 80386到Pentium 4。AMD公司K5，K6，Athron，Duron等。第五代，2001年以后，進(jìn)入64位微處理器時(shí)期。典型產(chǎn)品：Intel 64位安騰，Pentium 4 /D ，AMD Athlon 64等82022/8/11微處理器，即中央處理器，也叫CPU (Central Processing Unit)，是整個(gè)電腦系統(tǒng)中負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和數(shù)據(jù)處理的部件。CPU核心技術(shù)的發(fā)展一直是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。微處理器生產(chǎn)廠商

6、 對(duì)于x86系列的微處理器，目前世界上主要有3家廠商生產(chǎn)，它們是Intel公司、AMD公司(超微）和威盛公司。其中Intel和AMD的產(chǎn)品占據(jù)了絕大多數(shù)市場(chǎng)份額。產(chǎn)品在操作系統(tǒng)一級(jí)相互兼容；產(chǎn)品覆蓋95%以上的桌面微機(jī)市場(chǎng)。 非x86系列微處理器：生產(chǎn)廠商有IBM、Sun、HP、MIPS、APPLE、ARM、日立、三星、現(xiàn)代、中科院計(jì)算所等；產(chǎn)品主要用于大型服務(wù)器和嵌入式系統(tǒng)；這些產(chǎn)品大多互不兼容；在桌面微機(jī)市場(chǎng)中占有份額小。不同系列CPU產(chǎn)品在軟件上相互兼容92022/8/112022年8月11日9/49各公司兼容x86指令集的主要CPU產(chǎn)品微處理器的發(fā)展非常迅速，從最早的第一代應(yīng)用于微機(jī)中

7、的8088CPU發(fā)展到現(xiàn)在的Core i3/i5/i7 ，只經(jīng)過(guò)了30多年的時(shí)間，可以說(shuō)個(gè)人計(jì)算機(jī)的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前進(jìn)的。面向基本運(yùn)算的英特爾 處理器 專為互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備量身打造的 英特爾 凌動(dòng) 處理器 102022/8/1110/49CPU由半導(dǎo)體硅芯片（die）、基板、針腳或無(wú)針腳觸點(diǎn)、導(dǎo)熱材料、金屬外殼等組成。CPU基本組成AMD Phenom II CPU（羿龍4核）電阻和電容112022/8/11按字長(zhǎng)分類： 即按照微處理器單次處理的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為分類標(biāo)準(zhǔn)，可分為4位，8位，16位，32位，64位微處理器。（思考為什么沒有40位或者50位的微處理器呢？）按照系統(tǒng)規(guī)模分類：?jiǎn)纹瑱C(jī)，單

8、板機(jī)，個(gè)人計(jì)算機(jī)。三、微機(jī)分類方法122022/8/11單片機(jī)：將CPU、RAM、ROM及I/O接口電路等部件集成在一塊集成電路芯片上，以芯片形式出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)。這是目前使用量最大的一類微型計(jì)算機(jī)。常見的單片機(jī)有Intel 51系列，Atmel AVR系列，Motorola的MC系列等。單板機(jī)：在一個(gè)電路板上集成了CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路和部分輸入輸出設(shè)備，以單塊電路板形式出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)。常見的單板機(jī)有X86架構(gòu)的PC104系統(tǒng)，ARM架構(gòu)的單板機(jī)系統(tǒng)等。個(gè)人計(jì)算機(jī)：所謂“個(gè)人計(jì)算機(jī)”（PC Personal Computer），是指“由微處理器芯片裝成的、便于搬動(dòng)而且不需要維護(hù)的計(jì)

9、算機(jī)系統(tǒng)”。通常我們所說(shuō)的個(gè)人計(jì)算機(jī)是指臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī)和筆記本個(gè)人計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在主流的是X86系列個(gè)人計(jì)算機(jī)和蘋果公司的MAC系列個(gè)人計(jì)算機(jī)。132022/8/111.2 微型計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)的五大部分： 按照馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)包括五個(gè)主要的部分，即：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。運(yùn)算器 執(zhí)行全部的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。 控制器 計(jì)算機(jī)的控制中心，控制和同步其他各個(gè)部件。存儲(chǔ)器 計(jì)算機(jī)的主要記憶部件，以字節(jié)為單位的、線性編址的二進(jìn)制記憶部件。輸入、輸出設(shè)備 通過(guò)接口電路連接到總線的計(jì)算機(jī)外部設(shè)備。 運(yùn)算器控制器內(nèi)存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲(chǔ)器控制數(shù)據(jù)地址或指令CPU主機(jī)外設(shè)存儲(chǔ)器

10、CPU主機(jī)外設(shè)CPU = 運(yùn)算器+控制器+寄存器 Central Processing Unit MPU = 一塊IC的CPUMicro Processing Unit控制器運(yùn)算器中央處理單元外存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備控制總線內(nèi)存儲(chǔ)器I/O接口數(shù)據(jù)總線地址總線142022/8/11 微型計(jì)算機(jī)作為計(jì)算機(jī)使用最廣泛的一個(gè)分類，結(jié)構(gòu)上看主要可以分為三個(gè)大的部分，即微處理器、輸入/輸出接口、存儲(chǔ)器。 微處理器（MPU）：一塊或幾塊大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路，包含了運(yùn)算器和控制器的功能。 輸入/輸出接口（I/O）：微處理器與外部輸入/輸出設(shè)備交換數(shù)據(jù)的通道，主要完成信號(hào)轉(zhuǎn)換、地址識(shí)別、數(shù)據(jù)緩沖等功能。 存

11、儲(chǔ)器（MEM）：微型計(jì)算機(jī)的記憶功能部件，用于存儲(chǔ)微機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和程序。按照與微處理器連接方式的不同可以分為兩類，通過(guò)系統(tǒng)總線直接與微處理器連接的存儲(chǔ)器為內(nèi)存儲(chǔ)器，通常是RAM或ROM；通過(guò)輸入/輸出接口與微處理器連接的存儲(chǔ)器為外存儲(chǔ)器，通常為硬盤、光盤等設(shè)備。152022/8/11比特(bit)：一位二進(jìn)制信息，它是二進(jìn)制信息的最小單位（0或1），常用字母“b”表示。字節(jié)(byte) ：由8位二進(jìn)制信息組成，字節(jié)是微機(jī)中分配地址的基本單位，常用字母“B”表示。 字(word)：計(jì)算機(jī)中作為一個(gè)整體來(lái)處理的一組二進(jìn)制數(shù)，是字節(jié)的整數(shù)倍。通常與計(jì)算機(jī)內(nèi)的寄存器、算術(shù)邏輯單元寬度一致。目前為表達(dá)方

12、便，將字定義為16位，而雙字定義為32位。字常用字母“W”表示，雙字用“DW”表示。存儲(chǔ)器容量：通常以字節(jié)為單位表示，在內(nèi)存中一個(gè)字節(jié)占用一個(gè)尋址地址。人們常說(shuō)的1G/2G內(nèi)存，實(shí)際上應(yīng)該是具有1G字節(jié)/2G字節(jié)存儲(chǔ)容量的內(nèi)存。 與存儲(chǔ)器有關(guān)的幾個(gè)基本概念：162022/8/11微機(jī)的三總線結(jié)構(gòu) 在微型計(jì)算機(jī)中采用總線結(jié)構(gòu)連接微處理器、輸入/輸出接口、內(nèi)存儲(chǔ)器等部件，它們之間的信息傳遞通過(guò)總線進(jìn)行。它是多個(gè)部件服務(wù)的公共信息傳送線路，分時(shí)地發(fā)送與接收各部件的信息?？偩€結(jié)構(gòu)使微機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，它是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要特點(diǎn)?？偩€按照功能不同一般分為三類：地址總線(AB)：?jiǎn)蜗?/p>

13、，用于向內(nèi)存、外部端口傳輸?shù)刂沸畔?。?shù)據(jù)總線(DB)：雙向，傳輸各種數(shù)據(jù)信息?？刂瓶偩€(CB)：傳輸控制信息。包括讀寫、中斷等。系統(tǒng)總線CPU內(nèi)存接口外部設(shè)備接口外部設(shè)備.單總線結(jié)構(gòu)172022/8/11數(shù)據(jù)總線（DB）：微型計(jì)算機(jī)中所有的內(nèi)存與輸入/輸出接口都是通過(guò)一組數(shù)據(jù)線與微處理器或其它控制部件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的，這一組數(shù)據(jù)線被稱為數(shù)據(jù)總線。根據(jù)微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換能力的不同，數(shù)據(jù)總線可分為8位、16位、32位、64位等。地址總線（AB）：每個(gè)內(nèi)存單元和輸入/輸出接口都編有地址，微處理器通過(guò)一組地址線告知內(nèi)存或輸入/輸出接口要操作的地址。這一組用于提供地址的線路稱為地址總線。地址線的數(shù)量決定了

14、微處理器可以訪問(wèn)的內(nèi)存數(shù)量或輸入/輸出接口的數(shù)量。如一個(gè)微處理器地址總線為20根，則其最多能夠給出220（1M）個(gè)地址?？刂瓶偩€（CB）：為了控制外圍部件工作需要微處理器提供一組特定功能的線路，這一組特定功能的線路稱為控制總線?？刂瓶偩€通常包括讀、寫、等待、使能、測(cè)試、響應(yīng)等多種控制信號(hào)，利用這些信號(hào)微處理器可以管理微型計(jì)算機(jī)中的各個(gè)部件，按一定的時(shí)序協(xié)調(diào)工作。182022/8/11連接到總線上的設(shè)備主要有：CPU 一般情況下總線由CPU控制內(nèi)部存儲(chǔ)器 是完全被動(dòng)的總線設(shè)備接口電路 所有外部設(shè)備必須通過(guò)接口電路連接到計(jì)算機(jī)，不同的接口電路可能擁有不同的端口地址、中斷等?？偩€的特點(diǎn) 公共性、高速

15、性、標(biāo)準(zhǔn)性。單總線和多總線 多總線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)存在多條總線。目前微機(jī)算機(jī)中都是采用多總線結(jié)構(gòu)。 解決不同的部件速度不一致的問(wèn)題。 為存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)專用的數(shù)據(jù)通道。 兼容符合不同的總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。192022/8/111.3 微型計(jì)算機(jī)工作原理 微型計(jì)算機(jī)是一個(gè)由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的數(shù)字電路系統(tǒng)。微處理器在一個(gè)或幾個(gè)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，完成一次操作，一系列的操作完成一定的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。 CPU主要包括運(yùn)算器和控制器1運(yùn)算器ALU：Arithmetic and logical Unit 累加器A：N位的寄存器，用于保存運(yùn)算過(guò)程中的有關(guān)數(shù)據(jù)。 緩存器R（暫時(shí)寄存器）：N位寄存器，接收來(lái)自累加器和數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)。

16、加法器：由N個(gè)全加器構(gòu)成。數(shù)據(jù)總線加法器暫存器 R累加器A暫存器202022/8/112.控制器 程序計(jì)數(shù)器PC，又稱指令計(jì)數(shù)器、指令指針（IP） 指令寄存器IR 指令譯碼器ID，又稱操作碼譯碼器、指令功能分析解釋器。 地址形成部件 微操作信號(hào)發(fā)生器，確定完成指令所需要的步驟及完成每一步驟所需要的控制信號(hào)組合。 時(shí)序部件，產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)212022/8/113. CPU中的寄存器組 按功能分有通用寄存器和專用寄存器 通用寄存器存放原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果作為變址寄存器、計(jì)數(shù)器、地址指針等。 專用寄存器程序計(jì)數(shù)器PC、指令指針I(yè)P指令寄存器IR等狀態(tài)標(biāo)志寄存器，主要包括兩部分內(nèi)容：狀態(tài)標(biāo)志，如：進(jìn)位標(biāo)志

17、、結(jié)果為零標(biāo)志等，大多數(shù)運(yùn)算類指令的執(zhí)行將會(huì)影響到這些標(biāo)志位?？刂茦?biāo)志，如：中斷標(biāo)志、陷阱標(biāo)志等。222022/8/11微處理器對(duì)指令的執(zhí)行大致可分為三個(gè)步驟:取指令：微處理器從存儲(chǔ)器中將指令讀取到微處理器內(nèi)部，讀取指令首先要確定指令所在的地址，這個(gè)地址由微處理器內(nèi)部的指令指針（IP）寄存器存放。分析指令：也稱為指令譯碼，微處理器通過(guò)分析讀取的指令了解指令的功能和操作對(duì)象等，從而為下一步執(zhí)行做好準(zhǔn)備。執(zhí)行指令：根據(jù)指令分析的結(jié)果，微處理器發(fā)出一系列控制信號(hào)，指揮各部件完成該指令的功能，這樣一條指令的執(zhí)行就結(jié)束了。接著微處理器讀取下一條指令進(jìn)入下一個(gè)指令周期。232022/8/11如有兩個(gè)數(shù)求和的指令序列如下：MOV AL，2000H ADD AL，10H OUT 20H，AL 該指令序列在內(nèi)存中存放情況如下：2000：0000 A00020MOV AL，2000H2000：0003 0410 ADD AL，10H2000：0005 E620 OUT 20H，AL 1. 指令指針寄存器初始值為CS：IP=2000H：0000H，指向第一條指令。微處理器首先根據(jù)該地址讀取第一條指令MOV AL，2000H ，并將IP自動(dòng)加3變?yōu)?003H。 2. 微處理器對(duì)讀得的指令進(jìn)行分析譯碼