機(jī)械電子工程學(xué)院

學(xué)時(shí)：64理論教學(xué)＋16實(shí)驗(yàn)（課外上機(jī)16）學(xué)分：5最終成績(jī)構(gòu)成：期中20％＋平時(shí)10％＋實(shí)驗(yàn)10％＋期末60％先修課程：《數(shù)字邏輯電路》_______________________________________教師：劉民岷電話：83202575(O)88872422(H)答疑：周一晚7:00主樓西315微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及接口技術(shù)1機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷內(nèi)容簡(jiǎn)介一、概述（4學(xué)時(shí)）二、微處理器與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（10學(xué)時(shí)）三、80X86指令系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）四、宏匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)（8學(xué)時(shí)）五、存儲(chǔ)器（6學(xué)時(shí)）2機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷六、微機(jī)接口基礎(chǔ)（6學(xué)時(shí)）九、微機(jī)接口芯片及應(yīng)用（12學(xué)時(shí)）七、中斷（4學(xué)時(shí)）八、系統(tǒng)總線與接口技術(shù)（4學(xué)時(shí)）復(fù)習(xí)/習(xí)題（2學(xué)時(shí)）內(nèi)容簡(jiǎn)介3機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷第一章概述1.1 信息在計(jì)算機(jī)中的表示1.2 微機(jī)發(fā)展概況1.3 微機(jī)系統(tǒng)工作原理1.4 微機(jī)硬件1.5 微機(jī)軟件1.6 嵌入式系統(tǒng)4機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷1.1信息在計(jì)算機(jī)中的表示——在計(jì)算機(jī)內(nèi)部用二進(jìn)制數(shù)以不同形式編碼表示和存儲(chǔ)信息。1.1.1機(jī)器數(shù)與真值 用“+”和“-”表示符號(hào)的帶符號(hào)數(shù)稱為真值。 用“0”和“1”表示符號(hào)的帶符號(hào)二進(jìn)制（Binary）數(shù)稱為機(jī)器數(shù)。 機(jī)器數(shù)除了可以寫(xiě)成二進(jìn)制的形式外，通常也寫(xiě)成十六進(jìn)制（Hex）的形式。第一章5機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷附十進(jìn)制數(shù)、二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)DecimalBinaryHexDecimalBinaryHex000000810008100011910019200102101010A300113111011B401004121100C501015131101D601106141110E701117151111F6機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷1.1.2計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)類型位b（bit）、字節(jié)B（Byte）、字W（Word）、雙字DW（DoubleWord）、四字QW（QuardWord）

1bit=1個(gè)二進(jìn)制位1Byte=8bit1Word=2Byte1DoubleWord=2Word=4Byte1QuardWord=4Word……0110110001111110101011001111000001010011bit(1B)Byte(53H)Word(0F053H)DoubleWord(7EACF053H)Quardword低字節(jié)高字節(jié)高字低字第一章數(shù)據(jù)類型的低字節(jié)存放在較低地址處??！7機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷1.1.3原碼、反碼與補(bǔ)碼計(jì)算機(jī)中帶符號(hào)數(shù)的表示對(duì)于帶符號(hào)數(shù)，最高位為符號(hào)位，余下的二進(jìn)制數(shù)位表示數(shù)值。符號(hào)位用“0”表示正數(shù)，用“1”表示負(fù)數(shù)。(2n–1)為n個(gè)1，(2n–1)-|x|為|x|的反碼，所以求負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼可按“按位取反，末位加1”的方法進(jìn)行。[x]補(bǔ)=x2n-|x|(x<0)x>=0微機(jī)中用補(bǔ)碼表示帶符號(hào)數(shù)利用補(bǔ)碼將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算：X=[[X]補(bǔ)]補(bǔ)[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)第一章8機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷機(jī)器數(shù)的三種編碼形式原碼反碼補(bǔ)碼設(shè)X=(+-)X1,X2,…,Xi,…,Xn-1，其中Xi為一位二進(jìn)制數(shù)，i=1,2,…,n-1。則

[X]原

9機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷8位二進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)無(wú)符號(hào)數(shù)原碼補(bǔ)碼反碼0000000000H0+0+0+00000000101H1+1+1+10000001002H2+2+2+2····································011111017DH125+125+125+125011111107EH126+126+126+126011111117FH127+127+127+1271000000080H128-0-128-1271000000181H129-1-127-1261000001082H130-2-126-125····································11111101FDH253-125-3-211111110FEH254-126-2-111111111FFH255-127-1-0第一章10機(jī)械電子工程學(xué)院劉民岷補(bǔ)碼的好好處由于補(bǔ)碼碼具有運(yùn)運(yùn)算過(guò)程程簡(jiǎn)單、、效率高高、硬件件電路結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單和便于于實(shí)現(xiàn)各各種運(yùn)算算等優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)中的帶帶符號(hào)數(shù)數(shù)通常都都采用補(bǔ)補(bǔ)碼表示示法X=[[X]補(bǔ)]補(bǔ)[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)11機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷1.1.4定定點(diǎn)數(shù)與與浮點(diǎn)數(shù)數(shù)定點(diǎn)數(shù)——小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)位置固固定（例如純整整數(shù)和純純小數(shù)）浮點(diǎn)數(shù)——小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)位置不不固定（（充分利用用有限位位數(shù)，擴(kuò)擴(kuò)大數(shù)的的表示范范圍和精精度）浮點(diǎn)數(shù)的的表示方方法（（IEEE）SE1E2E3E4…Eib1b2b3b4…bp-1符號(hào)指指數(shù)數(shù)尾尾數(shù)(-1)S2E(b0b1b2b3…bp-1)S=0正正數(shù)S=1負(fù)負(fù)數(shù)小數(shù)點(diǎn)位位置與b0=1省略第一章12機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷微機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)的三種種浮點(diǎn)數(shù)數(shù)類型（（IEEE）浮點(diǎn)數(shù)中的參數(shù)單精度浮點(diǎn)數(shù)雙精度浮點(diǎn)數(shù)擴(kuò)充精度浮點(diǎn)數(shù)浮點(diǎn)數(shù)長(zhǎng)度32位64位80位尾數(shù)長(zhǎng)度p23位52位64位符號(hào)位S1位1位1位指數(shù)長(zhǎng)度E8位11位15位最小指數(shù)-126-1022-16382最大指數(shù)+127+1023+16383指數(shù)的偏移量值+127+1023+16383【例1.3】將十進(jìn)制制數(shù)219.125表表示成單單精度浮浮點(diǎn)數(shù)。。（P5）219.125D=11011011.001B=1.101101100127E=7+127=134=10000110B。。得到二進(jìn)進(jìn)制表示示的規(guī)格格化的浮浮點(diǎn)數(shù)形形式：尾數(shù)（共共23位位），包包括隱含含的b0共24位位指數(shù)符號(hào)01000011010110110010000000000000第一章13機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷1.1.5計(jì)計(jì)算機(jī)中中常用碼碼制1．BCD碼（（BinaryCodedDecimal））用二進(jìn)制制編碼表表示十進(jìn)進(jìn)制數(shù)稱稱為BCD碼。。一位位十進(jìn)制制數(shù)需要要用4位位二進(jìn)制制編碼表表示。例例如(0100100101111000.000101001001)BCD(4978.149)D壓縮BCD碼：：一個(gè)字節(jié)節(jié)表示兩兩位十進(jìn)進(jìn)制數(shù)非壓縮BCD碼碼：一個(gè)字節(jié)節(jié)表示一一位十進(jìn)進(jìn)制數(shù)（（使用用低四位位）2.ASCII碼美國(guó)國(guó)家家信息交交換標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)代碼ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）已已成為計(jì)計(jì)算機(jī)字字符編碼的的國(guó)際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。第一章14機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷

012345670NULDLESP0@P`P1SOHDC1!1AQaQ2STXDC2“2BRbR3ETXDC3#3CScS4EOTDC4$4DTdT5ENQNAK%5EUeU6ACKSYN&6FVfV7BELETB‘7GWgW8BSCAN(8HXhX9HTEM)9IYiYALFSUB*:JZjZBVTESC+;K[k{CFFFS,<L\l|DCRGS-=M]m}ESORS.>N^n~FSIUS/?O_oDELNUL空空SOH標(biāo)標(biāo)題開(kāi)開(kāi)始STX正正文結(jié)結(jié)束ETX本本文結(jié)束EOT傳傳輸結(jié)結(jié)束ENQ詢?cè)儐?wèn)ACK承承認(rèn)BEL報(bào)報(bào)警符符BS退退格HT橫橫向列列表LF換換行VT垂垂直制制表FF走走紙控控制CR回回車SO移移位輸輸出SI移移位輸輸入SP空空格DLE數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)鏈換碼碼DC1設(shè)設(shè)備備控制1DC2設(shè)設(shè)備備控制2DC3設(shè)設(shè)備備控制3DC4設(shè)設(shè)備備控制4NAK否否定SYN空空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)同步ETB信信息息組傳送送結(jié)束CAN作作廢EM紙紙盡SUB減減ESC換換碼碼FS分分隔符符GS組組分隔符符RS記記錄分隔隔符US單單元分隔隔符DEL作作廢廢第一章15機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷3.中文文編碼中文字符符用二個(gè)個(gè)字節(jié)表表示，每每個(gè)字節(jié)節(jié)的最高高位置1，余下下的14位表示示字符，，構(gòu)成漢字內(nèi)內(nèi)碼(GB2312-80)。漢漢字內(nèi)內(nèi)碼是是對(duì)對(duì)漢字字的唯唯一標(biāo)標(biāo)識(shí)。。漢字輸輸入碼碼各種輸輸入法法所采采用的的漢字字編碼碼統(tǒng)稱稱為輸入碼碼漢字內(nèi)內(nèi)碼輸入的的漢字字在機(jī)機(jī)器中中必須須轉(zhuǎn)換換為統(tǒng)統(tǒng)一的的機(jī)內(nèi)碼碼漢字輸輸出碼碼用于輸輸出漢漢字字字型的的點(diǎn)陣陣編碼碼第一章章16機(jī)械電電子工工程學(xué)學(xué)院劉劉民岷岷1.2微微機(jī)發(fā)發(fā)展概概況第一臺(tái)臺(tái)數(shù)字字式電電子計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)：ENIAC1946年年2月月，賓賓夕法法尼亞亞尼亞亞大學(xué)學(xué)莫爾爾學(xué)院院物理理學(xué)博博士莫克利利和電氣氣工程程師?？颂靥伛T·諾諾依曼曼體系系1944，，參加加改進(jìn)進(jìn)ENIAC的的系列列專家家會(huì)議議，研研究新新型計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)其執(zhí)筆筆的報(bào)報(bào)告中中，提提出新新型計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)該體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)沿用用至今今第一章章電子計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)之父父：馮·諾諾依曼曼(J.VonNeumann)(1913-1954)，，美籍籍匈牙牙利人人與愛(ài)因因斯坦坦一起起被聘聘為普普林斯斯頓大大學(xué)高高等研研究院院的第第一批批終身身教授授17機(jī)械電電子工工程學(xué)學(xué)院劉劉民岷岷阿蘭··圖林林——真真正的的計(jì)算算機(jī)之之父1912年年6月月23日出出生于于英國(guó)國(guó)倫敦敦，發(fā)發(fā)明圖圖林機(jī)機(jī)；圖林把把證明明數(shù)學(xué)學(xué)題的的推導(dǎo)導(dǎo)過(guò)程程，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成成為一一臺(tái)自自動(dòng)機(jī)機(jī)器的的運(yùn)行行過(guò)程程后，，不僅僅證明明了這這一數(shù)數(shù)學(xué)難難題，，而且且用““萬(wàn)能能計(jì)算算機(jī)””的設(shè)設(shè)想，，從理理論上上證明明了制制造出出通用用計(jì)算算機(jī)的的可能能性。。他的的“萬(wàn)萬(wàn)能計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)”就就是現(xiàn)現(xiàn)代通通用計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)的一一種模模型，，這種種機(jī)器器只要要為它它編好好程序序，就就可以以承擔(dān)擔(dān)其他他機(jī)器器能做做的任任何工工作；；1954年年6月月8日日清晨晨，阿阿蘭的的女管管家發(fā)發(fā)現(xiàn)阿阿蘭死死在自自己的的床上上。床床頭柜柜上有有個(gè)吃吃了一一半的的蘋(píng)果果………目前，，計(jì)算算機(jī)界界仍有有個(gè)一一年一一度““圖林林獎(jiǎng)””，，由美美國(guó)計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)（ACM）頒頒發(fā)給給世界界上最最優(yōu)秀秀的電電腦科科學(xué)家家，它它就像像科學(xué)學(xué)界的的諾貝貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)那樣樣，是是電腦腦領(lǐng)域域的最最高榮榮譽(yù)。。18機(jī)械電電子工工程學(xué)學(xué)院劉劉民岷岷現(xiàn)代電電子計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)之父父--巴貝貝奇查爾斯斯巴貝奇奇（CharlesBabbage）（（1792-1871）），設(shè)設(shè)計(jì)了了差分分機(jī)（（DifferenceEngine））和分分析機(jī)機(jī)（AnalyticalEngine）。。1822年年設(shè)計(jì)出分分析機(jī)，分分析機(jī)是一一種機(jī)械式式計(jì)算裝置置，有三個(gè)個(gè)主要部分分：第一部分是是由許多輪輪子組成的的保存數(shù)據(jù)據(jù)的存儲(chǔ)庫(kù)庫(kù)；第二部分是是運(yùn)算裝置置；第三部分是是對(duì)操作順順序進(jìn)行控控制并能選選擇所需處處理的數(shù)據(jù)據(jù)以及輸出出結(jié)果的裝裝置。巴貝奇還把把程序控制制的思想引引入了分析析機(jī)，它的的設(shè)想是采采用穿孔卡卡片把指令令存到存儲(chǔ)儲(chǔ)庫(kù)中，機(jī)機(jī)器根據(jù)穿穿孔卡片上上孔的圖形形確定該執(zhí)執(zhí)行什么指指令，并自自動(dòng)運(yùn)算。。分析機(jī)的結(jié)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)計(jì)思想把現(xiàn)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)機(jī)的結(jié)構(gòu)、、設(shè)計(jì)思想想提了出來(lái)來(lái)，可以說(shuō)說(shuō)是現(xiàn)代通通用計(jì)算機(jī)機(jī)的雛形。。19機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷世界第一位位程序員———阿達(dá)阿達(dá)奧古斯塔（（AdaAugusta））（1815-1852），，英國(guó)著名名詩(shī)人拜倫倫的女兒巴貝奇分析析機(jī)計(jì)劃的的堅(jiān)定支持持者，她不不僅理解了了巴貝奇分分析機(jī)的思思想，還認(rèn)認(rèn)為如果有有正確的指指令，分析析機(jī)甚至可可以用來(lái)作作曲、制圖圖和科學(xué)研研究，這在在當(dāng)時(shí)是十十分大膽的的預(yù)見(jiàn)她的最重要要的貢獻(xiàn)在在于首次為為計(jì)算機(jī)編編出了程序序，其中包包括計(jì)算三三角函數(shù)的的程序、級(jí)級(jí)數(shù)相乘程程序、伯努努利函數(shù)程程序等等。。被人人們們贊贊譽(yù)譽(yù)為為““世世界界上上第第一一位位計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)程程序序員員””。。為為了了紀(jì)紀(jì)念念阿阿達(dá)達(dá)奧古古斯斯塔塔，，1981年年，，美美國(guó)國(guó)國(guó)國(guó)防防部部把把他他們們花花了了10年年時(shí)時(shí)間間研研制制而而成成的的一一種種軍軍用用計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)語(yǔ)語(yǔ)言言命命名名為為Ada語(yǔ)語(yǔ)言言。。20機(jī)械械電電子子工工程程學(xué)學(xué)院院劉劉民民岷岷第一代1971年Intel40044位2300108KHz每秒6萬(wàn)次1972年Intel80088位3500基本指令周期為20～50μs第二代1974年Intel80808位60002MHzMC68008位68001976年Z808位100002.5MHz第三代1978年Intel808616位290005MHz／基本指令周期0.5μs1982年Intel8028616位13.4萬(wàn)基本指令周期0.2μs第四代1985年10月8038632位27.5萬(wàn)

16-33MHz／3-4MIPS

1989年4月

8048632位120萬(wàn)33-120MHz/41-54MIPS第五代1993.3.22Pentium32位310萬(wàn)

75-133MHz0.6μm1995.11.8Pentiumpro32位550萬(wàn)200MHz/400MIPS1997年P(guān)entiumⅡ32位700萬(wàn)266MHz/400MIPS1999.2.26PentiumⅢ32位2800萬(wàn)450MHz1999.2.24AMD-K6-Ⅲ32位2130萬(wàn)450MHz0.25μm2000.11.24Pentium432位4200萬(wàn)1.4GHz0.18μm更新……微處處理理器器發(fā)發(fā)展展一一覽覽表表21機(jī)械械電電子子工工程程學(xué)學(xué)院院劉劉民民岷岷奔騰騰不不息息升升級(jí)級(jí)不不止止Intel2004年年2月月1日日發(fā)發(fā)布布基基于于Prescott核核心心的的第第三三代代Pentium4處處理理器器。。采采用用0.09微微米米的的制制造造工工藝藝，，擁?yè)碛杏幸灰粌|億兩兩千千五五百百萬(wàn)萬(wàn)個(gè)個(gè)晶晶體體管管，，管管線線也也增增加加到到了了31級(jí)級(jí)。。配配備備1MB二二級(jí)級(jí)緩緩存存，，16KB的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)緩緩存存。。2005/02/21：：P46XX發(fā)發(fā)布布起跳跳頻頻率率為為3.2GHz，，L2Cache2MB，，售售價(jià)價(jià)為為215歐歐元元2005/02/28第一一章章22機(jī)械械電電子子工工程程學(xué)學(xué)院院劉劉民民岷岷2006年年7月月27日日全全球球正正式式發(fā)發(fā)布布的的Core2系系列列處處理理器器23機(jī)械械電電子子工工程程學(xué)學(xué)院院劉劉民民岷岷第一章

Pentium4EPentium4Pentium4ExtremeEditionAthlon64Athlon64FX核心PrescottNorthwoodGallatinClawHammerSledgeHammerSocketSocket478Socket478Socket478Socket754Socket940頻率2.8-3.4GHz1.6-3.4GHz3.2-3.4GHz2.0-2.2GHz2.2GHz生產(chǎn)技術(shù)0.09微米，應(yīng)變硅晶技術(shù)0.13微米0.13微米0.13微米，SOI0.13微米，SOI晶體管數(shù)125百萬(wàn)55百萬(wàn)178百萬(wàn)105.9百萬(wàn)105.9百萬(wàn)內(nèi)核尺寸m2112131237193193L1數(shù)據(jù)緩存16KB8KB8KB64KB64KBL1指令緩存1200微指令12000微指令2000微指令64KB64KBL2緩存1024KB512KB512KB1024/512KB1024KBL3緩存——2MB——SIMD指令SSE3/SSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSESSE2/SSE/

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3DNow！24機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷GordonMoore1965的預(yù)言已已經(jīng)40年年了，這條條IT第一一定律還能能走多遠(yuǎn)？？1971/11Intel40042300Transistors1978/6Intel808629000Transistors3μm2002/4Pentium4-2.2G55MillionTransistors0.13μμm2004/2Prescott3.4GP4125MillionTransistors90nmGordonMooremadehisfamous……第一章25機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷摩爾定律CPU性能能每18個(gè)個(gè)月增加一一倍第一章GordonMoore26機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷摩爾定律晶體管數(shù)目目每?jī)赡暝鲈黾右槐?200280070055031012027.513.42.90.490500100015002000250030003500400045001973197819821985198919931995199719992000年萬(wàn)晶體管第一章27機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷由運(yùn)算器、、控制器、、存儲(chǔ)器、、輸入設(shè)備備和輸出設(shè)設(shè)備五大部部分組成；；數(shù)據(jù)和程序序以二進(jìn)制制代碼形式式存放；控制器根據(jù)據(jù)存放在存存儲(chǔ)器中的的程序來(lái)工工作。1.3.1微機(jī)系系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微處理器是是將運(yùn)算器器和控制器器以及其它它部件集為為一體的大大規(guī)模集成成電路。一臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)是以運(yùn)算算器為中心心，由運(yùn)算算器、存儲(chǔ)儲(chǔ)器、控制制器、輸入入設(shè)備和輸輸出設(shè)備組組成。馮·諾依曼曼結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備1.3微微機(jī)系統(tǒng)工工作原理第一章28機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷哈佛結(jié)構(gòu)29機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷微處理器系系統(tǒng)的總線線結(jié)構(gòu)MPURAMROMI/O接口外設(shè)ABDBCB2組成成微機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)的各部分分通過(guò)地址址總線AB、數(shù)據(jù)總總線DB和和控制總線線CB聯(lián)系系在一起。。1總線線是計(jì)算機(jī)機(jī)中各類公公共信號(hào)線線的集合，，是計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)中各各部分聯(lián)絡(luò)絡(luò)的規(guī)范通通道。第一章30機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷微處理器系系統(tǒng)的總線線結(jié)構(gòu)MPURAMROMI/O接口外設(shè)ABDBCB微處理器MPU包含含運(yùn)算器和和控制器，，是微機(jī)系系統(tǒng)的核心心部件。稱稱為中央處處理單元(CPU)存儲(chǔ)器用來(lái)來(lái)存放數(shù)據(jù)據(jù)和程序；；分為只讀讀存儲(chǔ)器ROM(ReadOnlyMemory)和隨機(jī)機(jī)存取存儲(chǔ)儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)輸入輸出接接口又稱為為I/O接接口(Input/Outputinterface)，是微微機(jī)系統(tǒng)與與外部設(shè)備備交換信息息的電路和和通道。第一章31機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷總線結(jié)構(gòu)MPUMI/O總線MPUI/OM存儲(chǔ)器總線線I/O總線線單總線雙總線MPU局部I/O局部M緩沖器總線控制邏輯全局全局MI/ODMA控制制器雙重總線局部總線全局總線第一章32機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）用來(lái)傳傳輸數(shù)據(jù)信信息，是雙雙向總線，，CPU既既可通過(guò)DB從內(nèi)存存或輸入設(shè)設(shè)備讀入數(shù)數(shù)據(jù)，又可可通過(guò)DB將內(nèi)部數(shù)數(shù)據(jù)送至內(nèi)內(nèi)存或輸出出設(shè)備。地址總線AB（AddressBus））用于傳送送CPU發(fā)發(fā)出的地址址信息，是是單向總線線。目的是是指明與CPU交換換信息的內(nèi)內(nèi)存單元或或I/O設(shè)設(shè)備?？刂瓶偩€CB（ControlBus））用來(lái)傳送送控制信號(hào)號(hào)、時(shí)序信信號(hào)和狀態(tài)態(tài)信息等。。其中有的的是CPU向內(nèi)存和和外設(shè)發(fā)出出的信息，，有的則是是內(nèi)存或外外設(shè)向CPU發(fā)出的的信息?？煽梢?jiàn)，CB中每一根根線的方向向是一定的的、單向的的，但作為為一個(gè)整體體則是雙向向的，所以以在各種結(jié)結(jié)構(gòu)框圖中中，凡涉及及到控制總總線CB，，均以雙向向線表示。。第一章33機(jī)械電子工工程學(xué)院劉劉民岷岷以全加器為為基礎(chǔ)，輔輔之以移位位寄存器及及相應(yīng)控制制邏輯，完完成加、減減、乘、除除四則運(yùn)算算和各種邏邏輯運(yùn)算存放運(yùn)算操操作數(shù)和結(jié)結(jié)果寄存器組(RS)通用寄存器器組堆棧指針(SP)程序計(jì)數(shù)器器(PC)地址緩沖器器數(shù)據(jù)緩沖器器指令寄存器器(IR)指令譯碼器器(ID)操作控制器器(OC)累加器(ACC)累加鎖存器器標(biāo)志寄存器器(FR)暫存器算術(shù)邏輯單元(ALU)根據(jù)指令發(fā)發(fā)出控制信信號(hào)地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線臨時(shí)存放單單元：暫時(shí)時(shí)存放數(shù)據(jù)據(jù)和地址指示棧項(xiàng)項(xiàng)地址存放下一一條要執(zhí)執(zhí)行的指指令的地地址寄存ALU操作作結(jié)果的的狀態(tài)1.3.2微微處理器器簡(jiǎn)化模模型第一章34機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷35機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷1.3.3指指令概述述指令是規(guī)規(guī)定計(jì)算算機(jī)執(zhí)行行特定操操作的命命令。通常條指指令包括括兩部分分：操作碼和地址碼。操作碼碼指明要要完成操操作的性性質(zhì)，如如加、減減、乘、、除、數(shù)數(shù)據(jù)傳送送、移位位等；地地址碼指指明參加加上述規(guī)規(guī)定操作作的數(shù)據(jù)據(jù)存放地地址或操操作數(shù)。。微型計(jì)算算機(jī)每執(zhí)執(zhí)行一條條指令都都是分成成三個(gè)階階段進(jìn)行行：取指令（Fetch）、分析指令令（Decode）和執(zhí)行指令令（Execute）。取指令階階段的任任務(wù)是根根據(jù)程序序計(jì)數(shù)器器PC中的值，，從存儲(chǔ)儲(chǔ)器讀出出現(xiàn)行指指令,送送到指令令寄存器器IR，然后PC自動(dòng)加1指向下一一條指令令地址。。第一章36機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷分析指令令階段的的任務(wù)是是將IR中的指指令操作作碼譯碼碼，分析析其指令令性質(zhì)。。如指令令要求操操作數(shù)，，則尋找找操作數(shù)數(shù)地址。。執(zhí)行指令令階段的的任務(wù)是是取出操操作數(shù)，，執(zhí)行指指令規(guī)定定的操作作。根據(jù)據(jù)指令不不同還可可能寫(xiě)入入操作結(jié)結(jié)果。微型機(jī)程程序的執(zhí)執(zhí)行過(guò)程程實(shí)際上上就是周周而復(fù)始始地完成成這三階階段操作作的過(guò)程程，直至至遇到停停機(jī)指令令時(shí)才結(jié)結(jié)束整個(gè)個(gè)機(jī)器的的運(yùn)行。。第一章37機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷1.3.4指指令示示例ORG1000HMOVAL，5CHB0H5CHADDAL，2EH04H2EHJO1009H70H03HMOV[0200H]，ALA2H00H02HHLTF4H匯編語(yǔ)言言源程序序?qū)?yīng)機(jī)器器碼地址立即數(shù)程序執(zhí)行行(動(dòng)畫(huà)圖圖有錯(cuò))第一章38機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷1.4微微機(jī)硬硬件1.4.1微微機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)的主要要性能指指標(biāo)1字長(zhǎng)長(zhǎng)微機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)能夠直直接處理理的二進(jìn)進(jìn)制數(shù)據(jù)據(jù)的位數(shù)數(shù)。2運(yùn)算算速度微處理器器的主頻頻/MIPS(MillionInstructionsPerSecond)3、存儲(chǔ)儲(chǔ)容量包括內(nèi)存存容量（（由微處處理器的的尋址能能力決定定）和外外存容量量。4、外設(shè)設(shè)擴(kuò)展能能力第一章39機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷1.4.2微微型計(jì)計(jì)算機(jī)先先進(jìn)技術(shù)術(shù)1微程程序控制制技術(shù)根據(jù)要完完成的操操作控制制信號(hào)編編成若干干“微指指令”，，存放在在一個(gè)只只讀存儲(chǔ)儲(chǔ)器里一一條機(jī)器器指令對(duì)對(duì)應(yīng)一段段微指令令。運(yùn)行行時(shí)，一一條又一一條地讀讀出這些些微指令令，從而而產(chǎn)生所所需要的的各種操操作控制制信號(hào)（（微操作作），使使相應(yīng)部部件執(zhí)行行所規(guī)定定的操作作。這種種利用軟軟件方法法來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)硬件的的技術(shù)稱稱作“微程序控控制”2虛擬擬存儲(chǔ)器器技術(shù)一種通過(guò)過(guò)硬件和和軟件的的結(jié)合來(lái)來(lái)擴(kuò)大用用戶可用用存儲(chǔ)空空間的技技術(shù)。程程序預(yù)先先放在外外存儲(chǔ)器器中，在在操作系系統(tǒng)的統(tǒng)統(tǒng)一管理理和調(diào)度度下，按按某種置置換算法法依次調(diào)調(diào)入內(nèi)存存儲(chǔ)器被CPU執(zhí)行。第一章40機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷微型計(jì)算算機(jī)先進(jìn)進(jìn)技術(shù)流水線技技術(shù)是一一種將每每條指令令分解為為多步，，并讓各各步操作作重疊進(jìn)進(jìn)行，從從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)幾條指指令并行行處理的的技術(shù)。Pentium使用的的6步流流水線結(jié)結(jié)構(gòu)（1）取指令：：CPU從高速速緩存或或內(nèi)存中中取一條條指令。。（2）指指令譯碼碼：分析析指令性性質(zhì)。（3）地地址生成成：很多多指令要要訪問(wèn)存存儲(chǔ)器中中的操作作數(shù)，操操作數(shù)的的地址也也許在指指令字中中，也許許要經(jīng)過(guò)過(guò)某些運(yùn)運(yùn)算得到到。（4）取取操作數(shù)數(shù)：當(dāng)指指令需要要操作數(shù)數(shù)時(shí)，就就需再訪訪問(wèn)存儲(chǔ)儲(chǔ)器，對(duì)對(duì)操作數(shù)數(shù)尋址并并讀出。。（5））執(zhí)行行指令令：由由ALU執(zhí)執(zhí)行指指令規(guī)規(guī)定的的操作作。（6））存儲(chǔ)儲(chǔ)或?qū)憣?xiě)回結(jié)結(jié)果：：最后后運(yùn)算算結(jié)果果存放放至某某一內(nèi)內(nèi)存單單元或或?qū)懟鼗乩奂蛹悠鰽中。。3流流水線線技術(shù)術(shù)第一章章41機(jī)械電電子工工程學(xué)學(xué)院劉劉民岷岷微型計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)先進(jìn)進(jìn)技術(shù)術(shù)4高高速緩緩沖存存儲(chǔ)器器技術(shù)術(shù)為了加加快運(yùn)運(yùn)算速速度，，普遍遍在CPU與常常規(guī)主主存儲(chǔ)儲(chǔ)器之之間增增設(shè)了了一級(jí)級(jí)或兩兩級(jí)高高速小小容量量存儲(chǔ)儲(chǔ)器（（Cache））。將將將要要執(zhí)行行的指指令和和數(shù)據(jù)據(jù)復(fù)制制到緩緩存中中，加加快執(zhí)執(zhí)行速速度。。動(dòng)態(tài)執(zhí)執(zhí)行是是目前前CPU主主要采采用的的先進(jìn)進(jìn)技術(shù)術(shù)之一一。采采用分分支預(yù)預(yù)測(cè)和和動(dòng)態(tài)態(tài)執(zhí)行行的主主要目目的是是為了了提高高CPU的的運(yùn)算算速度度。推推測(cè)執(zhí)執(zhí)行是是依托托于分分支預(yù)預(yù)測(cè)基基礎(chǔ)上上的，，在預(yù)預(yù)測(cè)程程序是是否分分支后后所進(jìn)進(jìn)行的的處理理也就就是推推測(cè)執(zhí)執(zhí)行。。推測(cè)執(zhí)執(zhí)行技技術(shù)的的核心心就是是取指指時(shí)，，在局局部范范圍內(nèi)內(nèi)預(yù)先先執(zhí)行行并判判斷所所取指指令的的下一一條指指令最最有可可能的的位置置，Pentium4系系列CPU的分分支預(yù)預(yù)測(cè)正正確率率達(dá)到到了90%。參考5分支預(yù)預(yù)測(cè)（（branchprediction））和推推測(cè)執(zhí)執(zhí)行（（speculationexecution））第一一章章42機(jī)械械電電子子工工程程學(xué)學(xué)院院劉劉民民岷岷微型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)先先進(jìn)進(jìn)技技術(shù)術(shù)6亂亂序序執(zhí)執(zhí)行行（（out-of-orderexecution））CPU根根據(jù)據(jù)各各單單元元電電路路的的空空閑閑狀狀態(tài)態(tài)和和各各指指令令能能否否提提前前執(zhí)執(zhí)行行的的具具體體情情況況分分析析后后，，將將能能提提前前執(zhí)執(zhí)行行的的指指令令立立即即發(fā)發(fā)送送給給相相應(yīng)應(yīng)電電路路執(zhí)執(zhí)行行。。當(dāng)當(dāng)然然在在各各單單元元不不按按規(guī)規(guī)定定順順序序執(zhí)執(zhí)行行完完指指令令后后還還必必須須由由相相應(yīng)應(yīng)電電路路再再將將運(yùn)運(yùn)算算結(jié)結(jié)果果重重新新按按原原來(lái)來(lái)程程序序指指定定的的指指令令順順序序排排列列后后才才能能返返回回程程序序。。這這種種將將各各條條指指令令不不按按順順序序拆拆散散后后執(zhí)執(zhí)行行的的運(yùn)運(yùn)行行方方式式就就叫叫亂亂序序執(zhí)執(zhí)行行（（也也有有叫叫錯(cuò)錯(cuò)序序執(zhí)執(zhí)行行））技技術(shù)術(shù)。。RISC的的指指令令簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單，，CPU在在每每一一周周期期的的任任務(wù)務(wù)單單純純，，因因此此CPU結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單，，有有利利于于流流水水作作業(yè)業(yè)。。從從PentiumPro開(kāi)開(kāi)始始，，x86CPU都都采采用用RISC內(nèi)內(nèi)核核+CISC到到RISC譯譯碼碼器器的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。當(dāng)今今多多媒媒體體信信息息處處理理對(duì)對(duì)微微機(jī)機(jī)處處理理高高速速數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流提提出出了了更更新新、、更更高高要要求求。。為為滿滿足足這這一一要要求求，，在在微微處處理理器器中中加加入入了了新新的的用用于于多多媒媒體體處處理理的的指指令令和和數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)類類型型，，支支持持單單指指令令多多數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，支支持持并并行行處處理理。。7CISC指指令令集集加加RISC微微結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)8多多媒媒體體技技術(shù)術(shù)第一一章章43機(jī)械械電電子子工工程程學(xué)學(xué)院院劉劉民民岷岷1.4.3微微機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)組組成成微機(jī)機(jī)主主板板電源源、、機(jī)機(jī)箱箱外圍圍設(shè)設(shè)備備外部部設(shè)設(shè)備備外存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器模擬擬量量I/O：：A/D、、D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器、、開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)量量I/O過(guò)程程I/O通通道道微處理器內(nèi)存儲(chǔ)器I/O接口電路系統(tǒng)總線算術(shù)邏輯單元控制器寄存器陣列只讀存儲(chǔ)器（ROM）隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）高速緩存（Cache）并行輸入/輸出接口串行輸入/輸出接口磁盤(pán)、磁帶光盤(pán)、U盤(pán)PC總總線線、、ISA、、EISA、、PCI、、AGP鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、觸摸屏、掃描儀、顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、數(shù)碼相機(jī)……輸入/輸出設(shè)備第一一章章44機(jī)械械電電子子工工程程學(xué)學(xué)院院劉劉民民岷岷1存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器存儲(chǔ)儲(chǔ)器器是是計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)的的存存儲(chǔ)儲(chǔ)和和記記憶憶部部件件，，用用來(lái)來(lái)存存儲(chǔ)儲(chǔ)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)和和程程序序。。內(nèi)存存單單元元與與地地址址計(jì)算算機(jī)機(jī)的的內(nèi)內(nèi)存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器是是由由若若干干內(nèi)內(nèi)存存單單元元組組成成的的，，每每個(gè)個(gè)內(nèi)內(nèi)存存單單元元存存放放一一個(gè)個(gè)字字節(jié)節(jié)的的二二進(jìn)進(jìn)制制信信息息。。內(nèi)內(nèi)存存單單元元的的總總數(shù)數(shù)目目叫叫內(nèi)內(nèi)存存容容量量；；計(jì)算算機(jī)機(jī)中中每每個(gè)個(gè)內(nèi)內(nèi)存存單單元元有有惟惟一一的的地址址，CPU通通過(guò)過(guò)地地址址對(duì)對(duì)指指定定單單元元的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行行訪訪問(wèn)問(wèn)（（讀讀／／寫(xiě)寫(xiě)））；；內(nèi)存存容容量量的的大大小小由由CPU的的尋址址空空間間決定定。。尋尋址址空空間間=2n。內(nèi)存存操操作作讀操操作作－CPU將將內(nèi)內(nèi)存存單單元元的的內(nèi)內(nèi)容容讀讀入入到到CPU；；寫(xiě)操操作作－CPU將將數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)寫(xiě)寫(xiě)到到內(nèi)內(nèi)存存單單元元。。內(nèi)存存分分類類ROM、、RAM每個(gè)個(gè)內(nèi)內(nèi)存存單單元元有有一一個(gè)個(gè)地地址址，，每每個(gè)個(gè)地地址址的的內(nèi)內(nèi)存存單單元元可可存存放放1字字節(jié)節(jié)的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)——內(nèi)存存單單元元的的地地址址和和內(nèi)內(nèi)容容是是不不同同的的概概念念8086:220=1MBPII:236=64GB第一一章章45機(jī)械械電電子子工工程程學(xué)學(xué)院院劉劉民民岷岷2．外設(shè)設(shè)及輸入入輸出接接口第一章46機(jī)械電子子工程學(xué)學(xué)院劉劉民民岷1.4.4微機(jī)機(jī)系統(tǒng)組組成結(jié)構(gòu)構(gòu)舉例典型結(jié)構(gòu)構(gòu)是主板板+CPU+存存儲(chǔ)器+外設(shè)。。主板及及其上的的邏輯芯芯片組承承擔(dān)各