微機基本原理預(yù)備知識

1、一、計算機應(yīng)用領(lǐng)域 二、計算機分類三、計算機發(fā)展年代劃分依據(jù)四、微型計算機的發(fā)展五、數(shù)字電路基礎(chǔ)知識六、 微型計算機系統(tǒng)微型計算機基本原理9/27/20221一、計算機的應(yīng)用領(lǐng)域9/27/20222基于上述的事實，我們再重新思考一下“什么是計算機？”、“什么是PC機？”計算機：是用來計算的儀器，尤指可進行高速數(shù)學(xué)或邏輯運算或匯編、存儲、整理或處理信息的可編程的電子機器。 PC機（Personal Computer）：是指面向個人用戶而設(shè)計的沒有個性的通用計算機，是計算機中的一種。“計算機”與“PC機”9/27/20223二、計算機分類計算機按性能價格、體積不同可分為六類： 1、巨型機：主要用于

2、模擬核武器的爆炸 2、大型機： 3、中型機：較大型科研單位，省計算中心 4、小型機：（以前，中小網(wǎng)絡(luò)的主機，現(xiàn)一般用微機代替） 5、微機（PC機） 6、單片機9/27/20224三、計算機發(fā)展年代劃分依據(jù)第一臺電子計算機的誕生揭開了現(xiàn)代計算機發(fā)展歷史的序幕。半個多世紀以來，計算機技術(shù)以“萬馬奔騰”之勢，一日千里，迅猛發(fā)展。 計算機發(fā)展的年代劃分依據(jù)其硬件特征和軟件特征： 硬件特征是指計算機采用的物理器件 軟件特征是指計算機使用的軟件環(huán)境9/27/20225計算機己發(fā)展了四代第一代:電子管計算機(機器語言、匯編語言)第二代:晶體管計算機（ BASIC、FORTRAN）第三代:集成電路計算機（FO

3、RTRAN、分時、 多用戶操作系統(tǒng)）第四代:大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機 （軟件工程、數(shù)據(jù)庫）9/27/20226計算機走向新時代 計算機的發(fā)展方向:第五代：非馮.諾依曼計算機時代第六代：神經(jīng)計算機時代 光計算機時代 生物計算機時代9/27/20227四、微型計算機的發(fā)展微型計算機屬于第四代計算機微型計算機誕生于20世紀70年代微型計算機特點：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、價格便宜、使用方面、軟件豐富微型計算機核心是微處理器（CPU）每出現(xiàn)一個新的處理器就會出現(xiàn)新一代的微型計算機9/27/20228INTEL CPU發(fā)展史（1）9/27/20229INTEL CPU發(fā)展史（2）9/27/

4、202210微型計算機發(fā)展趨勢（1）1、中央處理器更小的布線寬度和更多的晶體管 減少布線寬度是提升CPU速度的關(guān)鍵，0.18微米技術(shù)、 0.13微米技術(shù) 、0.07微米技術(shù)、 65納米技術(shù).屆時CPU主頻將達到5GHZ ,晶體管數(shù)量將達到2億個. 更高的總線寬度，超過2GHZ64位CPU成為主流雙核或多核將成為發(fā)展的趨勢9/27/202211微型計算機發(fā)展趨勢（2）2、系統(tǒng)存儲器 CPU集成更大的高速二級緩存 內(nèi)存容量更大 速度更快 硬盤容量也更大 速度更快 DVD-RAM普及9/27/202212微型計算機發(fā)展趨勢（3）3、多媒體系統(tǒng) 顯卡的性能更高 圖形技術(shù)進一步發(fā)展 大尺寸顯示器成為主流

5、 數(shù)字式音箱占領(lǐng)市場9/27/202213微型計算機發(fā)展趨勢（4）4、網(wǎng)絡(luò) 電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)（IP網(wǎng)）和廣播電視網(wǎng)將 進一步融合 更高速率寬帶 無線接入 5、整機 更加趨于個性化。利用藍牙技術(shù)或紅外無線技術(shù)將減少機箱背后的連線，使主機與外設(shè)進行無線通信。9/27/202214五、數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(1)111 1tv5v09/27/202215數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(2)9/27/202216上頁下頁回目錄六、 微型計算機系統(tǒng)9/27/202217 到目前為止，計算機仍沿用1940年由馮.諾依曼（馮諾依曼是美籍匈牙利數(shù)學(xué)家，他提出了關(guān)于計算機組成和工作方式的基本設(shè)想，馮諾依曼設(shè)計思想最重要之處在于明確

6、地提出了“程序存儲、順序控制”的概念）首先提出的體系結(jié)構(gòu)。其基本設(shè)計思想為： 以二進制形式表示指令和數(shù)據(jù)。 程序和數(shù)據(jù)事先存放在存儲器中，計算機在工作時能夠高速地從存儲器中取出指令加以執(zhí)行。 由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五大部件組成計算機系統(tǒng)。 （一）基于總線的微型計算機硬件系統(tǒng)9/27/202218微機硬件組成：上頁下頁回目錄CPU微處理器RAMI/OROM外設(shè)輔助電路CBUSDBUSABUSCBUS ：控制總線 ，DBUS：數(shù)據(jù)總線，雙向三態(tài)ABUS ：地址總線，單向三態(tài)9/27/202219I/O三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器RAM三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器ROM三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器E1E2E31110

7、00CPUD0 D7數(shù)據(jù)總線單向緩沖器雙向緩沖器雙向緩沖器總線： 在CPU與其它部件之間信息傳送的公共通道（1）數(shù)據(jù)總線 “雙向三態(tài) ”（2）地址總線 “單向三態(tài) ”（3）控制總線“多選一”地址譯碼片選信號上頁下頁回目錄P149/27/202220地址總線AB定時電路輸入設(shè)備輸出設(shè)備I/O接口ROMRAM數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB微處理器(CPU)微型計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9/27/202221 地址總線AB(Address Bus)：在對存儲器或I/O端口進行訪問時，傳送由CPU提供的要訪問存儲單元或I/O端口的地址信息，以便選中要訪問的存儲單元或I/O端口，是單向總線。 數(shù)據(jù)總線DB(Data

8、Bus)：從存儲器取指令或讀寫操作數(shù)，對I/O端口進行讀寫操作時，指令碼或數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)總線送往CPU或由CPU送出，是雙向總線。 控制總線CB(Control Bus)：各種控制或狀態(tài)信息通過控制總線由CPU送往有關(guān)部件，或者從有關(guān)部件送往CPU。CB中每根線的傳送方向是一定的，圖1.3中CB作為一個整體，用雙向表示。 三大總線說明9/27/202222上頁下頁回目錄P5運算器控制器（CPU）微機模型組成9/27/202223 運算器由 算術(shù)邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit） 累加器A（Accumulator） 標志寄存器F（Flag) 寄存器組 R（Regist

9、ers） 相互之間通過內(nèi)部總線連接而成。它的主要作用是進行數(shù)據(jù)處理與加工 1. 運算器上頁下頁回目錄 一）、CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)9/27/202224 運算器由 算術(shù)邏輯單元ALU（Arithmetic Logic Unit） 累加器A（Accumulator） 標志寄存器F（Flag) 寄存器組 R（Registers） 相互之間通過內(nèi)部總線連接而成。它的主要作用是進行數(shù)據(jù)處理與加工 上頁下頁回目錄 1. 運算器9/27/202225 CU（Control Unit）由： 程序計數(shù)器PC（Program Counter） 指令寄存器IR（Instruction Register） 指令譯碼器ID

10、（Instruction Decoder） 操作控制部件或稱為組合邏輯陣列 PLA（ Programmed Logic Array） 時序發(fā)生器（圖1-2中略）等電路組成 控制器的主要作用有： 解題程序與原始數(shù)據(jù)的輸入 從內(nèi)存中取出指令并譯碼 控制運算器對數(shù)據(jù)信息進行傳送與加工 運算結(jié)果的輸出 外部設(shè)備與主機之間的信息交換 計算機系統(tǒng)中隨機事件的自動處理等 上頁下頁回目錄“+1”2. 控制器9/27/202226上頁下頁（1）累加器 A（2）數(shù)據(jù)寄存器 DR（Data Register）（3）寄存器組 R（4）指令寄存器 IR、指令譯碼器 ID操作控制部件 PLA （5）程序計數(shù)器 PC（6）

11、地址寄存器 AR（Address Register） 回目錄*3. CPU中的主要寄存器9/27/202227 4. 標志寄存器F 標志寄存器 F 也稱程序狀態(tài)字 PSW（Program State Word），是用來存放ALU運算結(jié)果的各種特征狀態(tài)的，如：運算有無進（借）位、有無溢出、結(jié)果是否為零等 5. 堆棧與堆棧指示器SP（Stack Pointer） （1）按照先進后出FILO（First In Last Out） 順序向堆棧讀/寫數(shù)據(jù)；（2） SP始終指向棧頂；（3）堆棧的兩種操作壓入（PUSH） 和彈出（POP） 它有三個主要特點：上頁下頁回目錄9/27/202228 存儲器 RA

12、M基本結(jié)構(gòu)一般由四個部分組成： 存儲矩陣、地址譯碼器 讀寫控制電路、三態(tài)雙向緩沖器。 上頁下頁回目錄自CPU來的 CB來自CPU的地址 AB往返于CPU的 DB地址譯碼器控制00H01H02H03H .FEHFFH2568存儲矩陣三態(tài)雙向緩沖器地址譯碼器地址譯碼器02H02H“讀”三態(tài)雙向緩沖器02H按地址訪問的一維線性空間二）、存儲器（Memory） 9/27/202229存儲器的概念 這里介紹的存儲器是指內(nèi)存儲器（又稱為主存或內(nèi)存）。它是微型計算機的存儲和記憶裝置，用來存放指令、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果。 在計算機內(nèi)部，程序和數(shù)據(jù)都以二進制形式表示，8位二進制代碼作為一個字節(jié)。為了便于

13、對存儲器進行訪問，存儲器通常被劃分為許多單元，每個存儲單元存放一個字節(jié)的二進制信息，每個存儲單元分別賦予一個編號，稱為地址。如圖1.5所示，地址為4005H的存儲單元中存放了一個八位二進制信息00111000B。 9/27/202230E7H34HA5HF2H38H4001H4002H4003H4004H4005H地址指令或數(shù)據(jù)內(nèi)容0 0 1 1 1 0 0 0圖1.5 內(nèi)存單元的地址和內(nèi)容9/27/202231 1. 基本概念 1)位(Bit)：二進制信息的最小單位（0或1）通常用B表示。 2)字節(jié)(Byte)：由8位二進制數(shù)組成，可以存放在一個存儲單元中。是字的基本組成單位。通常用B表示，

14、1B=8b. 3)字（Word）：不同的場合有不同的含義，軟件上通常指2個字節(jié)，硬件上一般指處理器外部數(shù)據(jù)線的寬度。目前為了表示方便，常把一個字定義為16位，把一個雙字定義為32位。即1W=2B=16b，2W=4B=32b. 4). 字長：計算機運算部件直接能處理的二進制的位數(shù)。通常它與計算機內(nèi)部的寄存器、算術(shù)邏輯單元、數(shù)據(jù)總線寬度相一致。8位機，16位機指的就是處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)線的寬度是多少。9/27/202232 5)內(nèi)存容量：內(nèi)存中存儲單元的總數(shù)。通常以字節(jié)為單位，1024（210）字節(jié)記作1KB，220字節(jié)記作1MB。 6)內(nèi)存單元地址：為了能識別不同的單元，每個單元都賦予一個編號，這個

15、編號稱之為內(nèi)存單元地址。顯然，各內(nèi)存單元的地址與該地址對應(yīng)的單元中存放的內(nèi)容是兩個完全不同的概念，不可混淆。 9/27/202233地址譯碼器10101101B00011010B10111010B00100010B內(nèi)容地址00H01HFFH90HAB10010000B來自CPU的寫信號00000000BDB地址譯碼器10101101B00011010B10111010B00100010B內(nèi)容地址00H01HFFH90HAB10010000B10111010BDB來自CPU的讀信號(a) 內(nèi)存讀操作過程示意圖(b) 內(nèi)存寫操作過程示意圖圖1.6 內(nèi)存讀寫操作過程示意圖 2.內(nèi)存的操作9/27/2

16、02234 3. 內(nèi)存的分類 按工作方式，內(nèi)存可分為兩大類：隨機讀寫存儲器RAM(Random Access Memory)和只讀存儲器ROM(Read Only Memory)。 隨機讀寫存儲器可被CPU隨機地讀寫，它用于存放將要被CPU執(zhí)行的用戶程序、數(shù)據(jù)以及部分系統(tǒng)程序。斷電后，其中存放的所有信息將丟失。 只讀存儲器中的信息只能被CPU讀取，而不能由CPU任意地寫入。斷電后，其中的信息不會丟失。它用于存放永久性的程序和數(shù)據(jù)。如系統(tǒng)引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序、操作系統(tǒng)中的基本輸入/輸出管理程序（BIOS）等。 9/27/202235輸入操作“讀”操作輸出操作“寫”操作上頁下頁回目錄指令地址 “+1

17、” 三）、I/O接口和外設(shè) 9/27/202236四）、模型機的工作過程 1. 指令和指令系統(tǒng)（1）指令的格式操作碼操作數(shù)或地址*程序的存儲與執(zhí)行程序PCPCPCPCPCPC指令1指令2指令3指令nM9/27/202237PC 指令執(zhí)行的兩個階段，取指階段與執(zhí)指階段 上頁下頁回目錄一個CPU周期一個CPU周期一個CPU周期一個指令周期下一個指令周a) 取指階段b) 執(zhí)指階段開始取指令PC + 1操作譯碼取操作數(shù)地址PC+1地址譯碼取操作數(shù)執(zhí)行操作取下條指令PC+ 1以直接尋址的指令為例開始取指令PC + 1操作譯碼取操作數(shù)地址PC+1地址譯碼取操作數(shù)執(zhí)行操作取下條指令PC+ 1PCPC上一條指

18、令操作碼操作數(shù)地址下一條指令PC（2）指令執(zhí)行過程9/27/202238表1-1 “15H+30H”程序執(zhí)行過程上頁下頁回目錄 注 釋 地 址00H01H02H03H04H05H06H 內(nèi) 容0111 01000001 01010010 01000011 00001000 00001111 1110 助 記 符 MOV A，#15H ADD A，#30H SJMP $ 取數(shù)指令，第一字節(jié)是操作碼第二字節(jié)就是指令的操作數(shù)加法指令，第一字節(jié)是操作碼第二字節(jié)也是指令的操作數(shù)兩字節(jié)指令，執(zhí)行原地踏步操作（暫停）PCPCPCPCPCPCPCPCPCPCPC 2. 程序的執(zhí)行過程 9/27/202239上

19、頁下頁 1. 程序設(shè)計語言 （2）匯編語言 （3）高級語言（1）機器語言2. 系統(tǒng)軟件3. 應(yīng)用軟件回目錄（二）、軟件系統(tǒng)9/27/2022401、字長3、指令系統(tǒng)2、存儲容量4、指令的執(zhí)行時間5. 外設(shè)擴展能力及配置上頁下頁回目錄（三）、衡量計算機性能的主要技術(shù)指標9/27/202241以下的幻燈片為備用9/27/2022421.3.2 微處理器 （8位）外部DB 微處理器 (CPU)AARPLAPC標志寄存器IDIRDRRA至外部CB外部AB 4001H E7H 4002H 34H 4003H A5H 4004H 62H 4005H 38H存儲器 地址 單元內(nèi)容ALU圖1.4 微處理器結(jié)構(gòu)

20、內(nèi)部數(shù)據(jù)總線DB9/27/202243微處理器的組成運算器(ALU)：進行算術(shù)、邏輯、移位運算。控制器(CU)：全機的指揮中心。IR IDPLA內(nèi)部寄存器(R)PCARDRAFLAGSRA9/27/2022441.3.4 I/O接口與輸入輸出設(shè)備 I/O接口是微型計算機與輸入輸出設(shè)備之間信息交換的橋梁。 I/O設(shè)備是微型計算機系統(tǒng)的重要組成部分。程序、數(shù)據(jù)及現(xiàn)場信息要通過輸入設(shè)備輸入給計算機。計算機的處理結(jié)果要通過輸出設(shè)備輸出，以便用戶使用。常用的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標、數(shù)字化儀、掃描儀、A/D轉(zhuǎn)換器等。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀、D/A轉(zhuǎn)換器等。 9/27/202245為什么要采用I/O接口電路？ 外設(shè)與CPU的工作速度不同。與CPU相比，外設(shè)的工作速度較低。 外設(shè)與CPU的信號不同。外設(shè)處理的信息有數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量等，而計算機只能處理數(shù)字量。 外設(shè)與微型計算機工作的邏輯時序也可能不一致。 由于上述原因，微型機與外設(shè)之間的連接及信息的交換不能直接進行，